頂刊視角：Science、Nature 權(quán)威解讀體積光固化技術(shù)大匯總

來源：EFL生物3D打印與生物制造

體積光固化打印技術(shù)是 3D 打印領(lǐng)域的前沿技術(shù)，它基于獨(dú)特的光固化原理，突破了傳統(tǒng)逐層打印的局限。在該技術(shù)中，光固化材料（如光敏樹脂等）被放置在特定的容器內(nèi)，通過對(duì)三維物體的斷層層析二維照片進(jìn)行全息重構(gòu)，然后按不同角度對(duì)全息重構(gòu)體進(jìn)行立體切片，再通過背投技術(shù)將這些動(dòng)態(tài)的切片按時(shí)間順序投影至旋轉(zhuǎn)的打印瓶中，并完全穿透打印瓶中的光敏材料。這種方式使得打印瓶中的光固化生物墨水以及細(xì)胞能從所有方向上同時(shí)形成三維物體，實(shí)現(xiàn)無接觸、超快速的體積式打印。

與傳統(tǒng)的逐層式打印技術(shù)相比，體積光固化打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著。打印效率上，它極大縮短了成型時(shí)間，厘米級(jí)尺寸的三維（活性）結(jié)構(gòu)僅需 10 到 120 秒就可打印完成 ，而傳統(tǒng)逐層打印構(gòu)建同樣尺寸結(jié)構(gòu)往往需要數(shù)小時(shí)甚至更久。以打印復(fù)雜的類器官模型為例，傳統(tǒng)方法可能需要數(shù)小時(shí)逐層堆疊，而體積光固化打印能在短短幾十秒內(nèi)完成。在打印精度與質(zhì)量方面，它可實(shí)現(xiàn)高精度打印，打印分辨率可達(dá) 50 微米，且打印物體表面光滑，真實(shí)模擬器官表面結(jié)構(gòu)等精細(xì)特征，同時(shí)避免了逐層打印中層與層之間可能出現(xiàn)的結(jié)合不牢等問題，提升了整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性。

一、《Science》：斷層重建式體積增材制造（CAL）— 使用光敏材料和動(dòng)態(tài)光圖案

來自加州大學(xué)伯克利分校機(jī)械工程系的Hayden K. Taylor教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種計(jì)算軸向光刻（CAL）技術(shù)，通過對(duì)光固化材料旋轉(zhuǎn)體進(jìn)行動(dòng)態(tài)光圖案照射，實(shí)現(xiàn)三維物體內(nèi)所有點(diǎn)的同步打印。相關(guān)研究成果以題為“Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction”發(fā)表在《Science》上。

增材制造有望帶來巨大的幾何自由度，以及為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能而組合材料的潛力。但增材制造過程的速度、幾何形狀和表面質(zhì)量方面的限制，都與它們對(duì)材料分層的依賴有關(guān)。而研究團(tuán)隊(duì)通過用動(dòng)態(tài)變化的光圖案照亮旋轉(zhuǎn)的光敏材料體積，實(shí)現(xiàn)了三維物體內(nèi)所有點(diǎn)的同時(shí)打印。在工程丙烯酸酯聚合物中，團(tuán)隊(duì)打印出了小至 0.3 毫米的特征；并在甲基丙烯酸明膠水凝膠中打印出了表面異常光滑的軟結(jié)構(gòu)。該過程能夠構(gòu)建包裹其他預(yù)先存在的固體物體的組件，實(shí)現(xiàn)多材料制造。研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了描述速度和空間分辨率能力的模型，并展示了各種厘米級(jí)物體的打印時(shí)間在 30 到 120 秒之間。

在此研究中，CAL 技術(shù)通過光聚合作用實(shí)現(xiàn)了任意幾何形狀的體積合成。與傳統(tǒng)的基于層的打印方法相比，CAL 方法具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。該方法可以規(guī)避支撐結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗�能夠在高粘度流體甚至固體中進(jìn)行打印，還能圍繞預(yù)先存在的固體組件打印 3D 結(jié)構(gòu)。CAL 可擴(kuò)展到更大的打印體積，并且在更廣泛的條件下，比逐層打印方法快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

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https://doi.org/10.1126/science.aau7114


二、《Science》：微尺度計(jì)算軸向光刻實(shí)現(xiàn)石英玻璃的體積增材制造

來自美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的 Joseph T. Toombs、Hayden K. Taylor 教授團(tuán)隊(duì)提出了一種用于制造二氧化硅玻璃的微尺度計(jì)算軸向光刻（micro-CAL）技術(shù)。通過斷層掃描聚合光固化二氧化硅納米復(fù)合材料，隨后進(jìn)行燒結(jié)，成功制造出多種復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)徑 150 微米的三維微流體裝置、表面粗糙度 6 納米的自由形式微光學(xué)元件等。相關(guān)研究成果以題為“Volumetric additive manufacturing of silica glass with microscale computed axial lithography”發(fā)表在《Science》上。

micro-CAL 技術(shù)憑借光聚合作用，實(shí)現(xiàn)了石英玻璃復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的體積合成。相較于傳統(tǒng)加工方法和部分增材制造技術(shù)，micro-CAL 優(yōu)勢(shì)顯著。打印時(shí)，前驅(qū)體材料和制造對(duì)象間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，便于使用高粘度和觸變性納米復(fù)合材料前驅(qū)體；其無層的特性有助于打造光滑表面和復(fù)雜幾何形狀；并且，打印過程中制造對(duì)象被前驅(qū)體材料包圍，無需犧牲性固體支撐結(jié)構(gòu)。這些特性使 micro-CAL 在微光學(xué)元件和微流體等應(yīng)用領(lǐng)域極具價(jià)值。

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https://doi.org/10.1126/science.abm6459


三、《Nature》：Xolography—— 雙色光固化快速3D打印

來自德國(guó)勃蘭登堡應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的Martin Regehly教授和德國(guó)柏林洪堡大學(xué)的Stefan Hecht教授團(tuán)隊(duì)基于雙色光聚合技術(shù)（DCP）提出了一種新型增材制造技術(shù)，稱為“X交叉法（Xolography）”3D打印技術(shù)，利用可光開關(guān)的光引發(fā)劑，通過不同波長(zhǎng)的交叉光束線性激發(fā)，實(shí)現(xiàn)了在限定單體體積內(nèi)的局部聚合。相關(guān)工作以“Xolography for linear volumetric 3D printing”為題發(fā)表在《Nature》上。

Xolography 技術(shù)采用雙色光激發(fā)方式。一束特定波長(zhǎng)的光片將光引發(fā)劑分子從初始的休眠狀態(tài)激發(fā)到具有有限壽命的潛伏狀態(tài)；另一束正交方向的不同波長(zhǎng)的光，將三維模型的截面圖像聚焦到光片平面，只有處于潛伏狀態(tài)的引發(fā)劑分子吸收該光并引發(fā)當(dāng)前層的聚合反應(yīng)。隨著樹脂體積在固定光學(xué)裝置中同步移動(dòng)并投影一系列圖像，就能持續(xù)制造出所需物體。該技術(shù)使用的雙色光引發(fā)劑（DCPI）是將苯甲酮 II 型光引發(fā)劑集成到螺吡喃光開關(guān)中，具備高效的光切換和光引發(fā)性能，以及良好的光譜和熱特性 。研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了相應(yīng)的打印機(jī)系統(tǒng)，通過優(yōu)化光片生成、補(bǔ)償光衰減以及精確控制投影和移動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了快速、高分辨率的打印。

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https://doi.org/10.1038/s41586-020-3029-7

四、《Nature Reviews Materials》：體積3D打印在醫(yī)療、材料和機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

來自荷蘭烏得勒支大學(xué)Riccardo Levato教授團(tuán)隊(duì)聚焦于體積3D打印技術(shù)，這是一種新型制造范式，能實(shí)現(xiàn)無層制造，速度快、分辨率高且設(shè)計(jì)自由度大。研究人員整合物理方法、工藝工程和材料化學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，對(duì)體積打印技術(shù)進(jìn)行了全面探索。研究涵蓋關(guān)鍵的體積打印技術(shù)，分析其優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)；詳細(xì)闡述適配材料的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；探討該技術(shù)在光學(xué)系統(tǒng)、軟機(jī)器人、生物打印等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。相關(guān)工作以“The road ahead in materials and technologies for volumetric 3D printing”為題發(fā)表在《Nature Reviews Materials》上。

多光束疊加和斷層掃描體積打印技術(shù)中，斷層掃描體積打印借鑒了 3D 醫(yī)學(xué)成像中的計(jì)算斷層掃描原理，可在數(shù)十秒內(nèi)制造出幾乎不受限制的厘米級(jí)幾何形狀，但在重建算法、光散射和光衰減等方面仍有待改進(jìn) 。光片基打印技術(shù)，如 xolography，利用雙色光實(shí)現(xiàn)了較高的劑量對(duì)比度，能在幾分鐘內(nèi)制造出特征尺寸達(dá)幾微米的物體；類似的光片 3D 微打印技術(shù)則適用于對(duì)精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，但在打印速度和通用引發(fā)劑使用方面存在挑戰(zhàn)。聲場(chǎng)基體積打印技術(shù)利用聲波實(shí)現(xiàn)材料的選擇性固化，在材料兼容性和穿透深度方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但目前在分辨率、波前調(diào)制等方面還需進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)指出，體積打印的發(fā)展離不開新型材料配方的開發(fā)。引發(fā)劑作為關(guān)鍵要素，不同打印技術(shù)對(duì)其有不同要求，且目前存在效率和對(duì)比度等方面的問題，需要探索替代引發(fā)機(jī)制。在打印前驅(qū)體方面，多種材料體系已被應(yīng)用，但各有優(yōu)缺點(diǎn)，可通過混合不同單體 / 低聚物來綜合優(yōu)勢(shì)。此外，該技術(shù)在陶瓷、玻璃和光學(xué)元件制造、軟機(jī)器人和可移動(dòng)部件制造以及生物打印等領(lǐng)域展現(xiàn)出了應(yīng)用潛力，但在打印精度、表面質(zhì)量和細(xì)胞密度等方面還需進(jìn)一步優(yōu)化 。在硬件和計(jì)算方面，先進(jìn)的硬件設(shè)計(jì)和算法有助于提高打印分辨率和準(zhǔn)確性，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和成像技術(shù)的發(fā)展則為打印過程的優(yōu)化提供了可能。

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https://doi.org/10.1038/s41578-025-00785-3

五、《Science Advances》：一步法體積增材制造復(fù)雜聚合物結(jié)構(gòu)—— 使用全息光場(chǎng)圖案化技術(shù)

來自勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Maxim Shusteff、Christopher M. Spadaccini 教授團(tuán)隊(duì)與麻省理工學(xué)院的Nicholas X. Fang 教授團(tuán)隊(duì)合作提出了一種全新的體相加制造范式，通過多光束投影到光敏樹脂中產(chǎn)生圖案化光場(chǎng)的疊加，實(shí)現(xiàn)一次操作成型復(fù)雜的非周期性三維幾何形狀的光聚合物結(jié)構(gòu)，成功克服了傳統(tǒng)增材制造技術(shù)速度慢和幾何約束的問題。相關(guān)研究成果以題為“One-step volumetric additive manufacturing of complex polymer structures”發(fā)表在《Science Advances》上。

增材制造方法中基于層的制造方式存在兩個(gè)局限性：速度慢和幾何形狀受限（包括表面質(zhì)量差）。本研究克服了這些限制，引入了一種新的體積增材制造范式，能在數(shù)秒內(nèi)制造出具有復(fù)雜非周期性三維幾何形狀的光聚合物結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)通過光場(chǎng)的全息圖案化實(shí)現(xiàn)了該方法，展示了多種結(jié)構(gòu)的制造過程，并研究了這種制造方法所需的光圖案和光敏樹脂的特性。結(jié)果表明，含有約 0.1% 光引發(fā)劑的低吸收樹脂，在適度功率（約 10 至 100 毫瓦）照射下，可在約 1 至 10 秒內(nèi)成功構(gòu)建完整結(jié)構(gòu)。

該制造范式通過多光束投影到光敏樹脂中形成的圖案化光場(chǎng)疊加，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜非周期性三維體積的一次性成型，且無需基板或支撐結(jié)構(gòu)。這一過程借助多光束的疊加，彌補(bǔ)了單光束光學(xué)系統(tǒng)軸向分辨率的不足。研究團(tuán)隊(duì)展示了復(fù)雜的毫米級(jí)非周期性結(jié)構(gòu)的制造，并對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行了初步研究。通過優(yōu)化，該方法有望實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)衍射極限的特征制造。

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https://doi.org/10.1126/sciadv.aao5496

六、《Nature Communications》：類斷層掃描3D打印新突破——實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)部件 80μm 高精度打印

來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Damien Loterie、Christophe Moser、Paul Delrot團(tuán)隊(duì)在計(jì)算軸向光刻方法的基礎(chǔ)上，提出了“高分辨率的層析制造法”，極大地提高打印速度和尺寸范圍。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)低強(qiáng)度照明系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)高分辨率特征打印。相關(guān)工作以“High-resolution tomographic volumetric additive manufacturing”為題發(fā)表在《Nature Communications》
上。

斷層掃描增材制造技術(shù)基于對(duì)光敏樹脂整體體積的同時(shí)照射。通過控制樹脂的吸收長(zhǎng)度，使照明光能夠深入構(gòu)建體積。在打印過程中，裝有樹脂的圓柱形容器旋轉(zhuǎn)，側(cè)面受到計(jì)算生成的光圖案照射，這些光圖案由數(shù)字光處理（DLP）調(diào)制器產(chǎn)生，并與樹脂容器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)同步顯示 。光圖案代表從不同旋轉(zhuǎn)角度看到的待制造物體的投影，通過類似 X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描的 Radon 變換計(jì)算得出。經(jīng)過各個(gè)角度的光圖案照射后，樹脂內(nèi)形成三維累積光劑量分布，當(dāng)局部光劑量達(dá)到樹脂的凝膠化閾值時(shí)，所需物體便固化成型。研究團(tuán)隊(duì)通過選擇高粘度樹脂減少了物體沉降和反應(yīng)物種擴(kuò)散對(duì)打印分辨率的影響；利用低強(qiáng)度照明系統(tǒng)，提高了打印分辨率；還集成了反饋系統(tǒng)，根據(jù)相機(jī)記錄的圖像信息調(diào)整光劑量，進(jìn)一步提升了打印部件與數(shù)字模型的契合度。

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https://www.nature.com/articles/s41467-020-14630-4

七、《Nature Communications》：天然絲蛋白墨水助力體積增材制造飛躍

來自哈佛醫(yī)學(xué)院的Yu Shrike Zhang教授團(tuán)隊(duì)采用天然、未改性的純絲蛋白（SS）和絲素蛋白（SF）制備生物墨水，用于體積增材制造（VAM）技術(shù)中。利用絲膠（SS）和絲素（SF）實(shí)現(xiàn)快速生物打印，并展現(xiàn)出多種優(yōu)異性能及潛在應(yīng)用。 相關(guān)工作以“Volumetric additive manufacturing of pristine silk-based (bio)inks”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

研究人員利用 VAM 技術(shù)對(duì)天然、未改性的純 SS 和 SF（生物）墨水進(jìn)行打印。在打印過程中，裝有（生物）墨水的透明容器旋轉(zhuǎn)，同時(shí)受到由投影儀模塊發(fā)射的計(jì)算光圖案照射，這些光圖案與容器旋轉(zhuǎn)同步顯示，通過 Radon 變換計(jì)算得出，最終使墨水發(fā)生光交聯(lián)固化形成所需物體 。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)不同濃度的 SS 和 SF（生物）墨水以及各種光引發(fā)劑比例進(jìn)行了打印性能優(yōu)化評(píng)估，發(fā)現(xiàn)低濃度（2.5%）的 SS 和 SF 墨水即可實(shí)現(xiàn)快速（生物）打印，并能在數(shù)十到數(shù)百秒內(nèi)構(gòu)建出復(fù)雜的體積結(jié)構(gòu)。此外，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)打印結(jié)構(gòu)體的收縮膨脹性能、機(jī)械性能、細(xì)胞相容性等進(jìn)行了全面表征，并展示了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的概念驗(yàn)證應(yīng)用，如細(xì)胞培養(yǎng)、組織工程和骨植入等方面的潛在用途。

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https://doi.org/10.1038/s41467-023-35807-7

八、《Nature Communications》：全息相位編碼重塑體積打印技術(shù)

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Christophe Moser教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于全息相位調(diào)制的新型體積式立體光刻（VAM）技術(shù)，稱為HoloVAM。該技術(shù)通過相位編碼提高了光效率，相比振幅編碼提升至少 20 倍，還能對(duì)光束進(jìn)行 3D 數(shù)字控制。團(tuán)隊(duì)利用平鋪全息圖和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)整形等方法減少了散斑噪聲，并使用低發(fā)散光束近似拉東變換的光線光學(xué)假設(shè)，實(shí)現(xiàn)了在多種材料中快速打印高精度的 3D 物體。相關(guān)工作以 “Holographic tomographic volumetric additive manufacturing” 為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

與傳統(tǒng) TVAM 中使用的振幅調(diào)制不同，相位編碼具有諸多優(yōu)勢(shì)。一方面，相位編碼能提高光效率，使顯示器的所有像素都能為投射的強(qiáng)度圖案做出貢獻(xiàn)，而傳統(tǒng)振幅編碼中大部分入射光會(huì)損失；另一方面，相位編碼可對(duì)全息圖中的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的 3D 數(shù)字控制 。研究團(tuán)隊(duì)使用基于數(shù)字微鏡器件（DMD）的投影系統(tǒng)，通過 HoloTile 方法實(shí)現(xiàn)了近無散斑的投影，并展示了計(jì)算全息圖的流程。通過實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)在丙烯酸酯基樹脂和細(xì)胞負(fù)載水凝膠中成功打印出毫米級(jí)物體，驗(yàn)證了該技術(shù)在提高打印效率、分辨率以及在散射材料中打印的可行性。

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https://doi.org/10.1038/s41467-025-56852-4