體積3D打�。和ㄟ^校正散射光，打印非透明材料！

導(dǎo)讀：體積制造三維打印方法在過去幾年中引起了廣泛關(guān)注。體積制造法是指通過將光一次性投射到一整桶光聚合物樹脂上，實(shí)現(xiàn)樹脂固化成型，獲得高分辨率和高速成型過程。但是這種三維打印方式具有一定的局限性，比如材料必須是透明的，因?yàn)橹挥羞@樣，光線才能穿過透明的打印桶。那么有沒有一種方法能夠打印不透明的物體呢？

2022年5月，南極熊獲悉，來自洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院、Readily3D等的研究者們提出了一種直接獲得投影圖案之前充分考慮散射光線路徑的方法，即將每一部分的散射光線進(jìn)行校正，然后再使用斷層掃描體積技術(shù)3D打印不透明的物體。實(shí)驗(yàn)證明了，在打印尺寸超過散射平均自由路徑的物體時，進(jìn)行這種校正是至關(guān)重要的。他們的研究《Controlling Light in Scattering Materials for Volumetric Additive Manufacturing》已經(jīng)發(fā)表在《Advanced Science》上。



研究人員指出，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，由于光固化樹脂的光散射，高空間頻率的傳輸較差。所以在進(jìn)行圖像分析之后，可以進(jìn)行數(shù)值校正，通過突出最高空間頻率的特征補(bǔ)償與頻率相關(guān)的衰減。與常規(guī)使用的標(biāo)準(zhǔn)二元圖相比，得到的校正光具有更高的對比度。通過在兩種不同的散射材料（丙烯酸樹脂和水凝膠基樹脂）中打印幾種物體幾何形狀，研究人員也證明了此種校正能夠提高了打印的保真度和分辨率。此研究中最核心的技術(shù)可以概括為：利用垂直于光軸的側(cè)視相機(jī)拍攝的圖像的空間頻率分析進(jìn)行校正。


校正分析
許多樹脂會有散射現(xiàn)象，光線經(jīng)過其中會發(fā)生光線的偏離，若超出了合理范圍將會嚴(yán)重影響打印后的保真度。所以，研究人員首先研究了散射效應(yīng)和數(shù)字微鏡器件(DMD)的相應(yīng)變化，以糾正光散射效應(yīng)。

DMD用于數(shù)字光處理 (DLP)和其他3D打印技術(shù)，是操縱數(shù)百萬個微型鏡子以生成圖像的地方。研究人員通過校正掩模，改變DMD中反射鏡的幅度和角度，能夠校正樹脂中光的衰減和失真。他們的校正方法的依據(jù)是在關(guān)鍵部分的中心上強(qiáng)度最大。（但這通常是無法做到的，因?yàn)橥ǔＧ闆r下，必須過度曝光樹脂桶的一部分來充分曝光內(nèi)部區(qū)域，所以打印具有空心通道的結(jié)構(gòu)時往往會因?yàn)檫^曝光而失敗。）他們的技術(shù)也被稱為“散射校正體積增材制造技術(shù)”，與其他體積方法相比，最大的優(yōu)勢在于提高打印的保真度。

由上述分析可知，利用體積制造技術(shù)打印具有中空結(jié)構(gòu)的零部件較為困難，但生物打印中需要這類結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵谏��?D打印中往往需要中空通道來為打印的組織提供營養(yǎng)和氧氣。因此，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為最能體現(xiàn)該工作的意義是成功進(jìn)行了3D打印的水凝膠中空通道中。


△散射校正斷層掃描體積增材制造 (VAM) 允許在散射材料（例如載細(xì)胞的水凝膠）中打印具有空心通道的復(fù)雜幾何形狀。a) 物體的3D模型，其中心被四個相互連接的空心通道包圍。b) 包含400萬細(xì)胞/ml 的水凝膠。(液體不再透明）c) 在傳統(tǒng)的斷層掃描VAM中，3D 模型被二值化為計(jì)算的光劑量，用于計(jì)算打印的圖案集。當(dāng)這些圖案投射到散射材料上時，它們會變得模糊，由此產(chǎn)生的沉積光劑量會阻止打印目標(biāo)物體。d) 在散射校正VAM中，校正了散射光的影響。相應(yīng)光圖案的投影會產(chǎn)生與目標(biāo)3D模型的幾何形狀和功能相匹配的打印。

校正過程及結(jié)果



a) 為了表征光散射，將一束薄的結(jié)構(gòu)光投射在樹脂上，同時用側(cè)視相機(jī)記錄圖片。
b) 用于表征的10毫米厚的比色皿的照片。
c) 為了校正光固化樹脂中的光散射，側(cè)視相機(jī)拍攝了不同入射光結(jié)構(gòu)的圖像。
d) 這個數(shù)據(jù)集的傅里葉變換顯示，可以發(fā)現(xiàn)高空間頻率隨著深度的增加而衰減得更快。
e) 通過在頻率空間中反轉(zhuǎn)這個衰減圖，得到一個校正掩碼。這個校正掩碼表明如何提高不同深度的空間頻率以抵消散射的影響。
f) 為了在散射樹脂中打印一個物體，三維模型被二值化，校正掩碼被應(yīng)用到它上面。

利用上述方法進(jìn)行3D打印，如下圖所示，零件的保真度得到的很大的提高。


△散射校正的斷層VAM提高了打印的保真度。 a) (i) 一個外周和內(nèi)周都有齒輪的三維模型被用作評估打印保真度的目標(biāo)。(ii) 用于打印的透明和散射的有機(jī)丙烯酸酯光固化樹脂的照片。分散在散射樹脂中的TiO2納米顆粒對光線產(chǎn)生散射作用。研究人員分別使用傳統(tǒng)的斷層掃描VAM在透明樹脂中打印物體，使用傳統(tǒng)和散射校正的斷層掃描VAM在散射樹脂中打印物體。(iii)橫向光劑量分布。(iv)所打印物體的微型CT掃描。(v)打印的保真度以模型和打印物的IoU來衡量（IoU=1表示完全匹配）。誤差條表示標(biāo)準(zhǔn)誤差。 b) 復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的散射校正斷層成像VAM。(i) 巴黎圣心大教堂的三維模型。(ii)橫向光劑量曲線。(iii)微型CT掃描。

若想更清晰地理解對散射光線進(jìn)行校正和無校正造成的差異，讀者可以仔細(xì)查看下圖進(jìn)行了解。


△在載有細(xì)胞的水凝膠中生物制造功能性血管模型。a) 具有被四個通道包圍的核心的構(gòu)造的 3D 模型，模擬脈管系統(tǒng)。b) 光線如何隨著細(xì)胞滲透到水凝膠中而變得模糊的側(cè)視圖。c）在有和沒有校正的斷層的VAM期間以不同角度投射的相應(yīng)光圖案。差異顯示了用于解釋散射的校正的位置和量 d) 將所得打印結(jié)構(gòu)染成紅色后的照片。e) 藍(lán)色染料流經(jīng)構(gòu)建體的延時攝影。散射校正斷層掃描 VAM 生成與模型的幾何形狀和功能相匹配的對象；而傳統(tǒng)的斷層掃描 VAM 會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中心出現(xiàn)意外故障管。

展望
研究人員通過在兩種不同的散射材料（丙烯酸樹脂和水凝膠樹脂）中打印較復(fù)雜的物體的，證明了利用校正散射光后的體積打印可以提高打印的保真度和分辨率。所提出的用側(cè)視相機(jī)描述光在樹脂中傳播的裝置也可用于其他類型的校正。例如，對直行光（無反射）的指數(shù)下降進(jìn)行校正、對具有光吸收材料的校正等。但是，無論進(jìn)行何種校正，該方法仍然依賴于投影系統(tǒng)，這意味著，在不透明的材料中，如果光經(jīng)歷了多次散射，即使使用了強(qiáng)大的散射校正，也可能不成功，因?yàn)橥渡涞膱D案會變得隨機(jī)。然而，本文研究的散射光通過校正，能夠提高零件的保真度，可應(yīng)用于許多材料，如生物樹脂。懸浮在這種樹脂中的細(xì)胞被認(rèn)為是弱散射體，因?yàn)樗鼈兊某叽绾艽螅ù蠹s10微米，即主要是前向散射），但在高濃度下，這種效應(yīng)對斷層打印是不利的。然而，如果想在一段時間內(nèi)保持打印的可行性，達(dá)到高濃度是必要的。

1.研究人員證明了散射校正能夠增加水凝膠中的細(xì)胞密度而不影響打印的細(xì)胞構(gòu)造。未來的研究有必要評估和減少基于光的生物打印方法可能引起的細(xì)胞毒性和誘變性的問題。

2.這項(xiàng)工作中提出的結(jié)果推動了斷層VAM對高細(xì)胞負(fù)載水凝膠的適用性，同時保持其較高的打印速度（幾十秒，而DLP通常為幾十分鐘）和所需的少量光引發(fā)劑（在這項(xiàng)工作中為0.16mg mL-1，而DLP生物打印的典型值為0.5-10mg mL-1）。此種校正方式也可應(yīng)用于其他打印技術(shù)，如Xolography、雙光子制造、縱向或多軸設(shè)置。這些校正也可以與樹脂的光學(xué)調(diào)諧和折射率匹配結(jié)合使用，以進(jìn)一步提高保真度。

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