來自浙江大學(xué)尹俊教授：預(yù)固化投影式快速生物3D打印

來源：EngineeringForLife

投影式光固化打印（又稱為數(shù)字化光處理技術(shù)，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(diǎn)。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(diǎn)，能夠打印出非常復(fù)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(shù)進(jìn)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(fù)性高、制造能力強(qiáng)、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(xué)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(yù)交聯(lián)方式的連續(xù)投影式光固化生物打印技術(shù)。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(jìn)行預(yù)交聯(lián)，從而可以將此過程的耗時從打印過程中剝離，達(dá)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(yù)交聯(lián)步驟中形成的預(yù)聚物被控制在凝膠點(diǎn)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(xué)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(yù)交聯(lián)過程的提前統(tǒng)一進(jìn)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(yīng)的過程均因此得到了優(yōu)化的可能。經(jīng)過對已預(yù)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(yù)交聯(lián)生物墨水的快速成形性、更好的均勻性、靛藍(lán)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(fù)升降及等待過程，實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)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(dāng)模型切片越精細(xì)、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(xì)胞生物打印過程中具有更好保持細(xì)胞活力的優(yōu)勢，通過打印混合PC12細(xì)胞與甲基丙烯�；�明膠（GelMA）的生物墨水測試，新工藝的細(xì)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(xì)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(shí)現(xiàn)更均勻可控的交聯(lián)結(jié)果。

圖2 預(yù)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(qiáng)下照射特定的時間，達(dá)到指定預(yù)交聯(lián)程度，隨后在打印過程中不再進(jìn)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(lán)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(shí)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(jié)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(yù)聚物而未達(dá)到影響墨水流變性能的預(yù)交聯(lián)過程。正是將此過程精確建模并實(shí)驗(yàn)擬合，作者實(shí)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(chǔ)。

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(fù)雜模型打印結(jié)果的展示

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