Nature：烏得勒支大學提出GRACE 3D打印新方法，有望實現(xiàn)3D打印范式轉變

2025年9月4日，南極熊獲悉，荷蘭烏得勒支大學的研究團隊開發(fā)了一種名為GRACE（Generative, Adaptive, Context-Aware 3D Printing）的創(chuàng)新3D打印方法。該方法結合3D成像、計算機視覺和參數(shù)建模，能夠自動生成適應性幾何結構，直接圍繞從細胞到宏觀尺度的特征進行打印。該技術在生物制造等領域展現(xiàn)出廣泛應用潛力，例如創(chuàng)建適應血管狀幾何形狀圍繞細胞負載的生物墨水，提高生物打印的功能性，標志著3D打印從被動執(zhí)行向智能適應的重大轉變。研究成果發(fā)表于《自然》雜志，題為"Adaptive and context-aware volumetric printing"。


論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09474-1
研究背景



傳統(tǒng)3D打印技術已有40多年的歷史，主要依賴用戶通過計算機輔助設計（CAD）軟件定義幾何形狀，然后由打印機逐層構建。盡管在醫(yī)療器械、微流控、生物工程組織以及汽車和航空領域發(fā)揮關鍵作用，但現(xiàn)有打印機本質上是被動工具，對打印環(huán)境（如材料組成和內部特征）缺乏感知。這限制了其在復雜應用中的潛力，例如軟體機器人、分級復合材料和活細胞生物打印，其中組件的相對位置和架構至關重要。

近年來，計算機視覺、人工智能和體積打印技術的進步為創(chuàng)新提供了基礎。體積打印使用可見光場聚合光敏樹脂，實現(xiàn)無層快速生產(chǎn)，并擅長“過打印”（overprinting），即非侵入性地打印在現(xiàn)有物體上，甚至包括脆弱的活細胞和類器官。這為開發(fā)智能打印提供了理想平臺。



方法原理

GRACE方法將體積打印與光片顯微成像相結合，實現(xiàn)快速3D映射打印體積，提取位置、形態(tài)和光譜信息。這些數(shù)據(jù)輸入多參數(shù)建模算法，自動生成針對性幾何形狀。關鍵組件和流程包括：

● 實驗裝置：自定義體積打印機和光片顯微路徑。光片通過數(shù)字微鏡裝置（DMD）或外部激光源生成，捕獲熒光信號。
● 工作流程：同步運動硬件、成像和打印系統(tǒng)。光片掃描產(chǎn)生極坐標截面，轉換為3D點云。使用密度基聚類（DBSCAN）檢測簇，提取中心坐標。
● 參數(shù)建模：使用Rhino3D和Grasshopper軟件，根據(jù)掃描數(shù)據(jù)生成自適應模型，如血管狀通道網(wǎng)絡或互連幾何。
● 陰影校正：使用光片作為輪廓儀映射不透明表面，通過物體空間模型優(yōu)化（OSMO）算法校正投影，減少遮擋偽影。

該方法兼容多種打印模式，如嵌入式擠出體積打?。‥mVP）和纖維光（FLight）生物制造。



實驗結果

研究展示了GRACE在多種應用中的多功能性：

● 上下文驅動結構：使用熒光染色的藻酸鹽微球作為測試平臺，在GelMA樹脂中生成血管狀通道網(wǎng)絡（直徑450±20μm），精確圍繞微球偏移300μm。實現(xiàn)了互連、封裝和基于尺寸/光譜的條件幾何區(qū)分。整個過程在約4分鐘內完成（每光譜通道）。
● 自動對齊順序打?。和ㄟ^迭代最近點（ICP）算法，自動對齊先前打印的人股骨模型與軟骨層，構建多組件結構。高重復性，計算時間<5秒。
● 陰影校正：映射不透明特征，優(yōu)化投影以提高打印質量。在柱狀遮擋實驗中，校正后對比度改善（Bhattacharyya系數(shù)從0.39降至0.15），相似性指數(shù)從0.70升至0.945。在球籠模型中，表面均方根誤差從0.50μm降至0.18μm，球度從0.830升至0.965。
● 適應血管網(wǎng)絡：圍繞胰島細胞（iβ-cells）負載的環(huán)形結構生成優(yōu)化通道，提高前胰島素分泌（3.2×10^5相對光單位 vs. 隨機通道的2.0×10^5和無通道的1.4×10^5）。
● 多組織模型：順序打印MSC負載的股骨和ACPC負載的軟骨，形成骨軟骨架構。細胞在4周內保持功能，合成礦化骨基質和富含糖胺聚糖的軟骨。
● 與FLight結合：圍繞不同染色MSC球體生成獨特形狀（星形或圓形），形成厘米級對齊微絲。



未來展望

GRACE代表了3D打印范式的轉變，使打印機能夠感知并響應上下文線索，自動化過打印并適應打印材料內容。這在生物制造中尤為重要，可創(chuàng)建仿生支架適應細胞或類器官分布，促進組織成熟和個性化醫(yī)學模型。未來方向包括擴展到其他打印技術（如xolography、多光子打印或聲基打?。?，整合替代成像模式（如光學層析或全息方法），并擴展到全組織尺度。通過移動容器和散射緩解技術，可實現(xiàn)更大體積的成像和打印。與自組裝材料的結合可進一步模擬活組織的層次結構。該技術還可應用于軟體機器人、聚合物皮膚精確控制和生物分子空間選擇性移植，推動再生醫(yī)學和增材制造的創(chuàng)新。盡管當前局限于厘米級體積，但GRACE為數(shù)據(jù)驅動制造開辟了新途徑。