墨爾本大學(xué)動態(tài)界面（DIP）3D成型技術(shù)為體積生物打印帶來新進展

南極熊導(dǎo)讀：在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，體積生物打印技術(shù)正在快速發(fā)展，特別是在再生醫(yī)學(xué)和組織工程方面。雖然傳統(tǒng)的3D生物打印技術(shù)有效，但在分辨率、速度和材料兼容性上存在限制，且通常需要復(fù)雜的支撐結(jié)構(gòu)和特定的化學(xué)環(huán)境。

△DIP創(chuàng)新方法利用空心打印頭和氣液彎月面，通過調(diào)節(jié)氣壓和聲波實現(xiàn)高速、無層的3D打印

2024年11月2日，南極熊獲悉，墨爾本大學(xué)的研究團隊推出了一種創(chuàng)新動態(tài)界面3D打印技術(shù)（DIP）。該技術(shù)利用受限的氣液界面和調(diào)制光，實現(xiàn)了快速、無支撐和高分辨率的生物打印，為生產(chǎn)復(fù)雜的細胞載體3D結(jié)構(gòu)開辟了新途徑。

△該研究已發(fā)表在《自然》雜志上，題目為“動態(tài)界面打印”（傳送門）

動態(tài)界面3D打印技術(shù)的優(yōu)點        

DIP解決了傳統(tǒng)生物打印的多項局限。立體光刻雖然分辨率高，但逐層構(gòu)建速度慢且需頻繁調(diào)整位置。計算軸向光刻（CAL）提供更快的體積打印，但對聚合物類型和固化劑量敏感。其它光基打印方法（如xolography）依賴復(fù)雜光學(xué)設(shè)置，限制材料兼容性。

克服了這些障礙，通過無需復(fù)雜光學(xué)設(shè)備的系統(tǒng)，實現(xiàn)高分辨率且不受材料限制的打印。集成聲學(xué)調(diào)制技術(shù)優(yōu)化預(yù)聚物流動，創(chuàng)造穩(wěn)定環(huán)境，無需額外支撐。這種系統(tǒng)設(shè)置簡單且運行快速，適合多種應(yīng)用，包括原型設(shè)計和復(fù)雜生物打印。

兼容多種材料，如柔軟的水凝膠、合成聚合物及載細胞預(yù)聚物。常用生物打印材料，如聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和明膠甲基丙烯酰（GelMA），可無縫應(yīng)用于DIP。由于快速打印和低剪切力，DIP能保持細胞活力在93%左右，尤其適合組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的細胞載體打印。

△動態(tài)界面3D打印技術(shù)原理示意

技術(shù)原理與效率

DIP的核心優(yōu)勢在于聲學(xué)調(diào)制系統(tǒng)，通過聲波控制彎月面位置，精確調(diào)整材料流動，提高打印質(zhì)量并優(yōu)化界面材料分布。這種技術(shù)在使用載細胞水凝膠和生物復(fù)合材料時尤為重要，能夠確保材料濃度均勻，減輕沉淀問題，從而維護結(jié)構(gòu)的完整性。

與傳統(tǒng)立體光刻技術(shù)相比，無層打印方法顯著提升了打印速度，能夠在幾秒至幾分鐘內(nèi)完成整個3D結(jié)構(gòu)的打印。這不僅提高了產(chǎn)量，還減少了生物材料暴露于光線下的時間，降低了對細胞健康的潛在損害。凸面切片技術(shù)使得DIP能夠動態(tài)適應(yīng)不同材料和結(jié)構(gòu)，同時消除對支撐結(jié)構(gòu)的需求，確保高保真度。

△分析不同材料在打印過程中的表現(xiàn)

應(yīng)用與案例

在組織工程和生物制造方面展現(xiàn)出靈活性與高效性，能夠快速生產(chǎn)復(fù)雜的生物打印結(jié)構(gòu)，如人造器官和血管網(wǎng)絡(luò)。支持高通量制造，使得并行打印多種結(jié)構(gòu)成為可能，適用于多種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

△最近的一項實驗產(chǎn)生了一種復(fù)雜的腎臟狀水凝膠結(jié)構(gòu)，載有人類胚胎腎細胞

在實際應(yīng)用中，研究人員成功生成了一種復(fù)雜的腎臟狀水凝膠結(jié)構(gòu)，載有人類胚胎腎細胞，顯示出DIP作為快速生物制造工具的潛力。該技術(shù)利用生物安全、細胞相容的材料，確保細胞活力并降低細胞毒性，為生成功能性組織模型提供了重要支持。隨著技術(shù)進步，這種有望在幾分鐘內(nèi)制造出獨特的定制組織模型，提高生物工程中的生產(chǎn)效率。

研究人員表示，盡管這種技術(shù)具有巨大潛力，但也面臨一些挑戰(zhàn)。打印結(jié)構(gòu)高度受限于打印頭尺寸和預(yù)聚物容器體積。然而，流體動力學(xué)的進展有望實現(xiàn)材料的連續(xù)補充，從而延長打印高度。