浙大團(tuán)隊(duì):軸向光刻3D打印技術(shù)在生物組織工程中的應(yīng)用和優(yōu)缺點(diǎn)

作者：張斌,，高磊,，薛茜，崔占峰,，馬梁,，楊華勇
來源：浙大學(xué)報(bào)

2019年，Kelly等受到計(jì)算機(jī)斷層成像（CT）的啟發(fā),，報(bào)告了一種基于計(jì)算軸向光刻技術(shù)的“體積增材制造”技術(shù),，并申請(qǐng)了相關(guān)專利,。 該技術(shù)通過累積光照使特定目標(biāo)區(qū)域的材料固化,，從而打印出事先設(shè)計(jì)好的三維構(gòu)件，該技術(shù)顯著提高了數(shù)字光處理 （DLP） 技術(shù)的能力,。

而在2016年,，吳翔在專利（申請(qǐng)?zhí)朠CT/CN2016/080097）中也提出了基于類似算法的光刻技術(shù)。盡管這種方法理論上可以達(dá)到很高的分辨率,，但與傳統(tǒng) DLP 方法類似,，其仍存在以下三方面的問題。
《Science》革命性高速“容積3D打印技術(shù)”,，被中國人質(zhì)疑抄襲自己專利

（1） 該技術(shù)僅能兼容光敏材料,，因而其制造包含多材料或微結(jié)構(gòu)的構(gòu)件時(shí)能力有限。例如,，目標(biāo)區(qū)域的材料在固化過程中懸浮在液體中,。高粘性或固態(tài)的前體材料然后被添加進(jìn)去以減少位移和幾何錯(cuò)位引起的模糊。這可能會(huì)導(dǎo)致前體材料殘留在成品構(gòu)件中,。

（2） 氧含量的衰減及氧或抑制分子的擴(kuò)散對(duì)該技術(shù)精度的影響有待進(jìn)一步研究,。作者提出了一種氧抑制方法以達(dá)到延緩固化時(shí)間的目的。通過在打印材料中充分溶解氧氣或其他抑制分子,，由光引發(fā)劑產(chǎn)生的自由基優(yōu)先與抑制劑發(fā)生反應(yīng),，從而確保在目標(biāo)區(qū)域積聚足夠的光強(qiáng)以使材料固化。然而在打印過程中,，目標(biāo)位置的液體含氧量的非線性衰減對(duì)材料響應(yīng)的影響有待進(jìn)一步研究,。作者認(rèn)為，光引發(fā)劑和氧的反應(yīng)在“計(jì)算軸向光刻”過程中消耗了比例最多的時(shí)間,。在反應(yīng)的最后階段,，目標(biāo)位置的氧含量低于閾值，材料迅速凝固,。在此液固轉(zhuǎn)化過程中,，氧或其他抑制分子的擴(kuò)散將需要深入的研究，以進(jìn)一步提高制造精度,。

（3） 光的散射和疊加會(huì)影響制造精度,。入射光的帶寬因添加的染料而受到限制，而光折射引起的模糊則因垂直入射量而減少。然而,，由于容器壁的物理特性和液-固界面的存在,，入射光必然發(fā)生一定程度的折射、反射和衰減,。由于投影系統(tǒng)的對(duì)焦深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所打印構(gòu)件的直徑,，因此忽略了光學(xué)路徑的變化。當(dāng)分子聚合時(shí),，液-固界面也會(huì)導(dǎo)致光路的變化,，從而導(dǎo)致能量損失和成像誤差。因此,，將這些因素納入考量有可能進(jìn)一步提高打印精度,。

盡管計(jì)算軸向光刻技術(shù)存在爭議，但通過改進(jìn)算法和對(duì)光的深入分析,，該技術(shù)將可能實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破,，尤其在生物3D打印和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。筆者長期以來在研究角膜,、皮膚和心臟補(bǔ)片的3D打印,，旨在開發(fā)可移植的組織替代物以用于治療疾病和損傷，如角膜性失明,、皮膚燒傷和心肌梗死,。作為《Bio-Design and Manufacturing》雜志的發(fā)起人之一，我們跟蹤各種前沿生物制造技術(shù)的發(fā)展,。我們相信CAL與傳統(tǒng)增材制造技術(shù)相比具有諸多優(yōu)勢(shì),。

首先，該技術(shù)在液體材料中制造組織或器官具有天然的優(yōu)勢(shì),。目前,，至少有15類組織或器官可使用粘性液體材料（骨、軟骨,、角膜,、神經(jīng)、肌肉,、血管,、淋巴組織、內(nèi)分泌腺,、子宮,、卵巢、宮頸組織,、肺,、氣道,、肝臟、腎臟）進(jìn)行3D打印[5, 6],，其中3種（角膜,、肝臟、血管）已采用了DLP技術(shù) [7–9],。其次,，CAL可實(shí)現(xiàn)光滑表面的構(gòu)建，具有制造大多數(shù)組織器官的潛力,。例如,，具有光滑的表面透明角膜可以被制造出來，并移植給動(dòng)物,、甚至人類患者,。最后,，CAL 的制造速度在所有3D打印技術(shù)中位于前列,，可顯著加快了從實(shí)驗(yàn)到臨床的過程。

基于CAL的體積增材制造技術(shù)因其前所未有的制造速度和分辨率,，成為增材制造領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)步,。如果該技術(shù)能夠更加適應(yīng)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際需求，該技術(shù)將為組織工程和再生醫(yī)學(xué)提供一種變革性的工具,。