浙大团队:轴向光刻3D打印技术在生物组织工程中的应用和优缺点

作者：张斌，高磊，薛茜，崔占峰，马梁，杨华勇
来源：浙大学报

2019年，Kelly等受到计算机断层成像（CT）的启发，报告了一种基于计算轴向光刻技术的“体积增材制造”技术，并申请了相关专利。 该技术通过累积光照使特定目标区域的材料固化，从而打印出事先设计好的三维构件，该技术显著提高了数字光处理 （DLP） 技术的能力。

而在2016年，吴翔在专利（申请号PCT/CN2016/080097）中也提出了基于类似算法的光刻技术。尽管这种方法理论上可以达到很高的分辨率，但与传统 DLP 方法类似，其仍存在以下三方面的问题。
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（1） 该技术仅能兼容光敏材料，因而其制造包含多材料或微结构的构件时能力有限。例如，目标区域的材料在固化过程中悬浮在液体中。高粘性或固态的前体材料然后被添加进去以减少位移和几何错位引起的模糊。这可能会导致前体材料残留在成品构件中。

（2） 氧含量的衰减及氧或抑制分子的扩散对该技术精度的影响有待进一步研究。作者提出了一种氧抑制方法以达到延缓固化时间的目的。通过在打印材料中充分溶解氧气或其他抑制分子，由光引发剂产生的自由基优先与抑制剂发生反应，从而确保在目标区域积聚足够的光强以使材料固化。然而在打印过程中，目标位置的液体含氧量的非线性衰减对材料响应的影响有待进一步研究。作者认为，光引发剂和氧的反应在“计算轴向光刻”过程中消耗了比例最多的时间。在反应的最后阶段，目标位置的氧含量低于阈值，材料迅速凝固。在此液固转化过程中，氧或其他抑制分子的扩散将需要深入的研究，以进一步提高制造精度。

（3） 光的散射和叠加会影响制造精度。入射光的带宽因添加的染料而受到限制，而光折射引起的模糊则因垂直入射量而减少。然而，由于容器壁的物理特性和液-固界面的存在，入射光必然发生一定程度的折射、反射和衰减。由于投影系统的对焦深度远远大于所打印构件的直径，因此忽略了光学路径的变化。当分子聚合时，液-固界面也会导致光路的变化，从而导致能量损失和成像误差。因此，将这些因素纳入考量有可能进一步提高打印精度。

尽管计算轴向光刻技术存在争议，但通过改进算法和对光的深入分析，该技术将可能实现技术突破，尤其在生物3D打印和再生医学领域。笔者长期以来在研究角膜、皮肤和心脏补片的3D打印，旨在开发可移植的组织替代物以用于治疗疾病和损伤，如角膜性失明、皮肤烧伤和心肌梗死。作为《Bio-Design and Manufacturing》杂志的发起人之一，我们跟踪各种前沿生物制造技术的发展。我们相信CAL与传统增材制造技术相比具有诸多优势。

首先，该技术在液体材料中制造组织或器官具有天然的优势。目前，至少有15类组织或器官可使用粘性液体材料（骨、软骨、角膜、神经、肌肉、血管、淋巴组织、内分泌腺、子宫、卵巢、宫颈组织、肺、气道、肝脏、肾脏）进行3D打印[5, 6]，其中3种（角膜、肝脏、血管）已采用了DLP技术 [7–9]。其次，CAL可实现光滑表面的构建，具有制造大多数组织器官的潜力。例如，具有光滑的表面透明角膜可以被制造出来，并移植给动物、甚至人类患者。最后，CAL 的制造速度在所有3D打印技术中位于前列，可显著加快了从实验到临床的过程。

基于CAL的体积增材制造技术因其前所未有的制造速度和分辨率，成为增材制造领域的一项重大进步。如果该技术能够更加适应生物医学应用领域的实际需求，该技术将为组织工程和再生医学提供一种变革性的工具。