来自浙江大学尹俊教授：预固化投影式快速生物3D打印

来源：EngineeringForLife

投影式光固化打印（又称为数字化光处理技术，Digital Light Processing ，简称为DLP打印，其原理如动图所示）是一种传统的光固化3D打印方式，具有大通量、快速、高精度等优点。其中，倒置型投影式光固化打印方式因具有液体浮力自支撑的特点，能够打印出非常复杂的三维模型。近年来，随着光敏生物墨水的发展，利用投影式光固化技术进行生物3D打印已成为可能。与传统挤出生物打印相比，投影式光固化生物打印具有可重复性高、制造能力强、无挤出剪切力等显著优势，有成为主流生物3D打印方法的趋势。

来自浙江大学尹俊教授在Additive Manufacturing 杂志上发表了题为“High-fidelity and high-efficiency additive manufacturingusing tunable pre-curing digital light processing” 的文章，报道了一种基于预交联方式的连续投影式光固化生物打印技术。李洋博士和茅棋江博士为本文的共一作者，尹俊研究员与傅建中教授为本文的共通讯作者。

作者在打印前对光敏生物材料进行预交联，从而可以将此过程的耗时从打印过程中剥离，达到提高打印速度的目的。通过对交联过程中双键聚合的精确测量，预交联步骤中形成的预聚物被控制在凝胶点前特定的适宜区间内，而此时材料的流变性能等物理化学特性尚未发生明显变化，从而在提升交联度的同时保持了材料的打印性能。

因预交联过程的提前统一进行，光固化打印过程中每层切片内平台上升再下降、等待液体稳定、底层剥离等对应的过程均因此得到了优化的可能。经过对已预交联生物墨水打印性的深入研究后，作者通过引入光吸收剂的方式，精确控制交联过程中的曝光量，提出了一种新的连续DLP生物打印方式。该打印方法借助已预交联生物墨水的快速成形性、更好的均匀性、靛蓝光吸收剂405nm波段高效的光吸收，从而省略了传统DLP的平台反复升降及等待过程，实现单项匀速的连续层间交联。

对比传统DLP，新的工艺在耗时上大大降低，且当模型切片越精细、分层越多时，该优势越明显，同时因没有明显的层间等待，台阶纹现象被明显抑制，打印精度也因此得到显著提升。此外，作者还证明了此方法在带细胞生物打印过程中具有更好保持细胞活力的优势，通过打印混合PC12细胞与甲基丙烯酰化明胶（GelMA）的生物墨水测试，新工艺的细胞活力（90.2±6.1%）优于传统DLP（54.5±4.8%）方法，并具有更好的细胞形态。

图1 DLP打印过程及形成其分辨率的原理

通过引入光吸收剂的方式，可精确控制光场在生物墨水中的分布，实现更均匀可控的交联结果。

图2 预交联DLP工艺与传统DLP工艺在一个交联周期内的工艺步骤对比

Tunable pre-curing DLP首先将打印需要的生物墨水在一定光强下照射特定的时间，达到指定预交联程度，随后在打印过程中不再进行以此目的的曝光，并省略的打印平台下降再上升的步骤。对比传统DLP大大缩短了打印时间。

图3 靛蓝光吸收剂对交联深度的影响规律

通过引入合适浓度的光吸收剂，可实现在层间粘连可靠稳定的前提下，大大降低固化深度，从而降低过固化带来的z方向成形误差。

图4 打印过程中生物墨水的交联度、流变性能与光照时间的规律

双键交联度与流变性能的测定结果揭示了凝胶化并不是一个单一连续的过程。其中，有较长的时间消耗在了形成大分子预聚物而未达到影响墨水流变性能的预交联过程。正是将此过程精确建模并实验拟合，作者实现了将该过程在打印前一次性完成，为优化提供了基础。

图5 在不同切片层高条件下，新工艺与传统DLP打印方式的耗时对比

图6 新工艺显著降低了台阶纹误差

图7 高精度复杂模型打印结果的展示

论文链接：
http://doi.org/ 10.1016/j.addma.2019.100889