來自浙江大學尹俊教授：預固化投影式快速生物3D打印

來源：EngineeringForLife

投影式光固化打�,。ㄓ址Q為數(shù)字化光處理技術,，Digital Light Processing ,，簡稱為DLP打印,，其原理如動圖所示）是一種傳統(tǒng)的光固化3D打印方式,，具有大通量,、快速,、高精度等優(yōu)點。其中,，倒置型投影式光固化打印方式因具有液體浮力自支撐的特點,，能夠打印出非常復雜的三維模型。近年來,，隨著光敏生物墨水的發(fā)展,，利用投影式光固化技術進行生物3D打印已成為可能,。與傳統(tǒng)擠出生物打印相比，投影式光固化生物打印具有可重復性高,、制造能力強,、無擠出剪切力等顯著優(yōu)勢，有成為主流生物3D打印方法的趨勢,。

來自浙江大學尹俊教授在Additive Manufacturing 雜志上發(fā)表了題為“High-fidelity and high-efficiency additive manufacturingusing tunable pre-curing digital light processing” 的文章,，報道了一種基于預交聯(lián)方式的連續(xù)投影式光固化生物打印技術。李洋博士和茅棋江博士為本文的共一作者,，尹俊研究員與傅建中教授為本文的共通訊作者,。

作者在打印前對光敏生物材料進行預交聯(lián)，從而可以將此過程的耗時從打印過程中剝離,，達到提高打印速度的目的,。通過對交聯(lián)過程中雙鍵聚合的精確測量，預交聯(lián)步驟中形成的預聚物被控制在凝膠點前特定的適宜區(qū)間內(nèi),，而此時材料的流變性能等物理化學特性尚未發(fā)生明顯變化,，從而在提升交聯(lián)度的同時保持了材料的打印性能。

因預交聯(lián)過程的提前統(tǒng)一進行,，光固化打印過程中每層切片內(nèi)平臺上升再下降,、等待液體穩(wěn)定、底層剝離等對應的過程均因此得到了優(yōu)化的可能,。經(jīng)過對已預交聯(lián)生物墨水打印性的深入研究后，作者通過引入光吸收劑的方式,，精確控制交聯(lián)過程中的曝光量,，提出了一種新的連續(xù)DLP生物打印方式。該打印方法借助已預交聯(lián)生物墨水的快速成形性,、更好的均勻性,、靛藍光吸收劑405nm波段高效的光吸收，從而省略了傳統(tǒng)DLP的平臺反復升降及等待過程,，實現(xiàn)單項勻速的連續(xù)層間交聯(lián),。

對比傳統(tǒng)DLP，新的工藝在耗時上大大降低,，且當模型切片越精細,、分層越多時，該優(yōu)勢越明顯,，同時因沒有明顯的層間等待,，臺階紋現(xiàn)象被明顯抑制，打印精度也因此得到顯著提升,。此外,，作者還證明了此方法在帶細胞生物打印過程中具有更好保持細胞活力的優(yōu)勢,，通過打印混合PC12細胞與甲基丙烯酰化明膠（GelMA）的生物墨水測試,，新工藝的細胞活力（90.2±6.1%）優(yōu)于傳統(tǒng)DLP（54.5±4.8%）方法,，并具有更好的細胞形態(tài)。

圖1 DLP打印過程及形成其分辨率的原理

通過引入光吸收劑的方式,，可精確控制光場在生物墨水中的分布,，實現(xiàn)更均勻可控的交聯(lián)結果。

圖2 預交聯(lián)DLP工藝與傳統(tǒng)DLP工藝在一個交聯(lián)周期內(nèi)的工藝步驟對比

Tunable pre-curing DLP首先將打印需要的生物墨水在一定光強下照射特定的時間,，達到指定預交聯(lián)程度,，隨后在打印過程中不再進行以此目的的曝光，并省略的打印平臺下降再上升的步驟,。對比傳統(tǒng)DLP大大縮短了打印時間,。

圖3 靛藍光吸收劑對交聯(lián)深度的影響規(guī)律

通過引入合適濃度的光吸收劑，可實現(xiàn)在層間粘連可靠穩(wěn)定的前提下,，大大降低固化深度,，從而降低過固化帶來的z方向成形誤差。

圖4 打印過程中生物墨水的交聯(lián)度,、流變性能與光照時間的規(guī)律

雙鍵交聯(lián)度與流變性能的測定結果揭示了凝膠化并不是一個單一連續(xù)的過程,。其中，有較長的時間消耗在了形成大分子預聚物而未達到影響墨水流變性能的預交聯(lián)過程,。正是將此過程精確建模并實驗擬合,，作者實現(xiàn)了將該過程在打印前一次性完成，為優(yōu)化提供了基礎,。

圖5 在不同切片層高條件下,，新工藝與傳統(tǒng)DLP打印方式的耗時對比

圖6 新工藝顯著降低了臺階紋誤差

圖7 高精度復雜模型打印結果的展示

論文鏈接：
http://doi.org/ 10.1016/j.addma.2019.100889