研究背景
快速3D打印，能够在几秒到几分钟内创建整个零件，正逐渐成为一系列生物打印、原型和制造应用的关键技术，覆盖了医疗器械、航空航天部件、微加工策略和人工器官等领域。传统的光学打印方法，如立体光刻，通过逐层固化材料来构建零件，这种方法在分辨率和几何保真度方面具有优势。然而，该方法需要不断重置零件在层之间的位置，以使未固化树脂能够流动，这限制了打印速度、材料成分和吞吐量。
最近，体积打印方法被用于快速制造厘米级结构。计算轴向光刻通过旋转装有光聚合物的小瓶，并将其暴露于一系列不同方位角的远心投影中，使得累积的光交叉点创建目标物体。由于该过程依赖于局部氧气消耗来限制聚合，因此固化程度对聚合剂量和材料成分高度敏感。尽管计算校正可以部分减轻这些影响，但这些技术对树脂和生物油墨的选择仍有限制。其他方法，如体积3D打印或光片打印，采用了双步光化学，其中聚合反应由两个波长引发（一个来自光片，一个来自正交投影），这两个波长相汇以形成所需的物体。尽管这种体积方法能够快速制造自由浮动的各向同性结构，但它们受到专业光学系统或材料配方要求的限制。具体来说，体积分辨率与材料透明度直接相关，这限制了许多添加剂的使用，如细胞、颗粒材料和染料。氧气也可用作传统自下而上立体光刻中的自由基淬灭剂，以抑制印刷界面处的聚合。例如，连续的液体界面生产使用透氧膜作为制造界面，这会产生一个聚合死区，使得可以连续补充材料。然而，在这种方法中，打印结构是从浅层储液器中逐步提取的，这对于水凝胶等软材料来说是一个挑战，因为水凝胶在从液体悬浮液中取出时往往结构不稳定。
研究成果
近日，澳大利亚墨尔本大学David J. Collins和Callum Vidler合作报道了一种新型3D打印方法--动态界面打印，利用声学调制的受限气液边界，在几十秒内快速生成厘米级的3D结构。与传统体积打印技术不同，该技术省去了对复杂反馈系统、专业化学品和复杂光学设备的需求，同时保持了快速的打印速度。展示了动态界面打印技术在各种材料和复杂几何形状上的多功能性，包括那些无法用传统逐层打印技术难以实现的材料和几何形状。该技术能够实现复杂结构的原位快速制造、套印、结构并行化和生物制造实用性。此外，在气液边界形成表面波能够增强质量传输，提高材料的灵活性，并支持3D粒子图案化。因此，研究者预计动态界面打印技术对于那些追求高分辨率、可扩展吞吐量和生物相容性的应用将具有极大的价值。
相关研究工作以“Dynamic interface printing”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。
研究内容
这项研究提出了一种快速3D打印技术，该技术通过在声学驱动的受限气液界面的边界处直接构建物体，这有助于在无专门化学或光学反馈系统的情况下快速创建任意无支撑结构。这种方法适用于多种材料，包括软质和生物相关的水凝胶，其打印速度适合高活性组织工程、大规模制造和快速原型制作。
图1. DIP示意图
图2. DIP系统的表征
图3. DIP中的声学调制
图4. DIP功能
结论与展望
研究者证明了104mm3·min-1量级的体积制造速度，超过了计算轴向光刻和体积3D打印等其他高速印刷工艺，而无需专业的光化学或光学反馈机制。这是通过表面张力驱动印刷实现的，并通过印刷界面上的声学驱动流进一步增强。外加含更多单个接口的多路打印头，从而提升系统的打印吞吐量，使得在整个多孔板上同时制造成为可能。这项研究的可渗透打印界面在打印过程中提供了可控的操作和激励，支持套印、配置大规模运输以及3D图案化。展望未来，DIP技术有望进一步发展，包括将声学驱动的传输系统直接集成到打印头上，或从内部实现顺序的多材料切换。除了进一步表征和预测声学图案化的参数空间外，未来的研究可以通过建模和利用底层结构，或通过设计打印头边界拓扑来产生所需的声场，探索更复杂的图案化策略。扩展到更高的数值孔径可以促进快速的微尺度制造，而无需与双光子系统相关的成本。
研究者设想DIP将为生物制造带来重大突破，因为它能够在柔软的生物相关材料中快速打印高分辨率结构，而无需热凝胶化或对预聚物溶液的光学特性施加限制。另外，在三维中定位打印界面的能力使得原位制造成多孔板成为可能，突显了高通量生物制造的未来潜力。此外，通过包封增强和空间定位还可以促进多种细胞类型的图案化，这对许多组织结构中的细胞功能至关重要。进一步研究光和声学图案形成的局限性，例如灰度暴露产生的刚度梯度或通过负载纳米颗粒的声学图案化实现的生长因子梯度，对于确定其在生物制造中的价值至关重要。
综上所述，研究者提出了一种快速且概念精简的打印方法，该方法依赖于形成受约束和声学调制的气液界面。这种多功能、高通量的方法，对软质和生物相关材料的制造具有独特的优势。因此，研究者认为，当需要高速、高分辨率和原位制造3D结构时，DIP是最好的选择。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08077-6
