北德克薩斯大學開發(fā)超聲系統(tǒng)用于實時監(jiān)測軟水凝膠3D打印

2025年5月23日，南極熊獲悉，北德克薩斯大學的研究人員開發(fā)了一種實時原位超聲監(jiān)測系統(tǒng)，能夠以亞波長分辨率追蹤軟水凝膠3D打印中的交聯(lián)過程。

這項研究以題為“Real-time in-situ ultrasoundmonitoring of soft hydrogel 3D printing with subwavelength resolution”的論文發(fā)表在《通信工程》雜志上，為觀察明膠-海藻酸鹽水凝膠增材制造過程中的關鍵瞬態(tài)現(xiàn)象（包括層間粘結、表面變形和重力擴散）提供了新方法。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44172-024-00318-w

由金宇琪和Arup Neogi領導的研究團隊將一個10 MHz浸入式超聲換能器集成到BIO X生物打印機平臺中。平臺可以在材料沉積過程中持續(xù)收集聲學信號，從而不僅能夠在打印過程中進行質量控制，還能在離子交聯(lián)等后處理過程中進行質量控制。

超聲波作為生物打印質量控制的工具

雖然光學相干斷層掃描 (OCT) 和 X 射線成像等光學技術已被用于增材制造 (AM) 監(jiān)測，但它們往往受到材料不透明度或電磁干擾的限制。相比之下，超聲波穿透深度更大，并且與高含水量水凝膠兼容。團隊的裝置采用單站配置，將換能器嵌入定制鋁基板中，以實時跟蹤每個打印層的反射波形。

使用 COMSOL Multiphysics 進行數(shù)值模擬，模擬打印過程中的信號行為。超聲波反射使研究人員能夠檢測到噴嘴刮擦或擠壓不一致引起的層厚度、彈性和機械擾動的細微變化。

監(jiān)控幾何形狀、表面質量和材料行為

在使用全填充水凝膠塊的測試中，研究人員觀察到清晰的幾何結構累積聲學指標，隨后由于重量累積和噴嘴接觸導致層高降低。反射信號的傅里葉分析揭示了彈性和塑性變形，頻率色散與表面粗糙度相關。

△打印路徑配置：a完全填充樣品的打印圖案。b網(wǎng)格樣品的打印圖案。

超聲系統(tǒng)還在網(wǎng)格注入式支架打印件上進行了測試，揭示了由于無支撐幾何結構導致的重力下垂和結構收縮。這些現(xiàn)象難以通過傳統(tǒng)的非原位方法檢測到，因此通過相位譜和動態(tài)體積模量 (DBM) 剖面進行了可視化。

團隊進一步將監(jiān)測延伸至交聯(lián)后階段。通過將樣品浸入CaCl₂溶液中，他們實時觀察了打印結構的硬化和幾何變形。監(jiān)測使得確定最佳交聯(lián)持續(xù)時間成為可能，從而在不損害結構完整性的情況下增強機械性能。

△與BIOX生物打印機集成的現(xiàn)場超聲監(jiān)測系統(tǒng)概覽。圖片來自北德克薩斯大學通信工程系。

邁向智能生物打印系統(tǒng)

本研究演示的原位超聲系統(tǒng)為軟材料3D打印的實時缺陷檢測、參數(shù)調(diào)整和自動化工藝優(yōu)化提供了途徑。盡管目前這套系統(tǒng)僅限于局部測量，但作者建議使用二維相控陣進行擴展，以實現(xiàn)全平面覆蓋，并與閉環(huán)反饋系統(tǒng)集成。

通過深入了解生物打印過程中細微的機械和幾何變化，本系統(tǒng)可以幫助生產(chǎn)用于組織工程、藥物輸送和再生醫(yī)學應用的一致、高質量的水凝膠結構。

△全填充塊狀樣品打印的現(xiàn)場監(jiān)測實驗。圖片來自北德克薩斯大學通信工程系。

這項研究以水凝膠增材制造領域的最新進展為基礎。2021年，科學家們開發(fā)了一種用于3D打印應用的高強度海藻基水凝膠，凸顯了海藻酸鹽的機械潛力。最近，3D打印水凝膠已被用于太空環(huán)境中的輻射屏蔽，凸顯了功能多樣性。同時，一項關于Xolography的研究引入了一種制造軟組織結構的體積方法，突破了生物打印分辨率的極限。這些進展凸顯了對強大的實時監(jiān)控系統(tǒng)的需求，例如本研究中演示的基于超聲波的方法，以確保復雜水凝膠打印過程中的質量控制和可重復性。