用声音打印？--声学辅助3D打印研究进展

来源： EFL生物3D打印与生物制造

自1989年Elrod等人将声学和3D打印开创性结合以来，声学辅助3D打印技术的概念开始诞生并不断发展起来。相比于其他打印方法，基于声学液滴喷射的无接触液体处理方法在应用于生物样本时能够避免交叉污染。同时，这种打印方法可摆脱喷嘴的限制，不会出现喷嘴堵塞等问题。此外，超声波驻波和基于声学的生物打印还可应用于微流控技术，从而实现对粒子和细胞操控。声学3D打印方法通过逐层打印来制造三维结构，在组织工程、再生医学、药理学研究和高通量筛选应用等领域具有广泛的应用前景。为了方便大家进行相关内容的学习，EFL特意整理了声学辅助3D打印相关的3篇综述和6篇研究论文供大家参考学习。

1. Soft Matter：声学液滴打印技术及系统综述；2021.2.10
基于声学液滴的打印方法具有提高精度和数据再现性、降低成本、实际操作时间和消除浪费等优点。声学液滴打印（ADE）在合成生物学、基因分型、个性化医学和下一代测序等应用中逐渐取代了传统的抽吸和分配液体处理机器人。这篇综述着重介绍了声学液滴喷射系统的设置和各个部分的关键技术，包括声液滴生成、流体井的优化设计、液滴聚并和功率控制。并讨论了这些技术的优缺点，预测了声液滴喷射技术的未来发展方向。

文章来源：https://doi.org/10.1039/D0SM02193H

2. Biomicrofluidics：声表面波驱动液滴喷射技术在微流体中的应用；2020.12.09
声表面波技术可以实现在微纳尺度上对流体和粒子的强大控制和驱动能力，例如：细胞分选、微流体泵送、粒子的聚焦和分离以及液滴打印等方面。声表面波技术驱动的液滴打印技术具有结构简单、制造障碍小、尺寸紧凑、无接触操作等优点。这篇综述从声表面波技术与流体的相互作用机理理论、声表面波技术-微流体打印的实验方法、相关参数对目标夹断液滴的影响、个别结构的应用等方面回顾和重组了声表面波技术-微流控打印技术数十年的历史。最后，对现有文献的研究成果进行了总结，并对声表面波技术-微流体打印这一学科的未来发展方向进行了展望和评价。

文章来源：https://doi.org/10.1063/5.0014768

3. MRS advances：声场辅助3D打印功能复合材料的最新进展；2021.06.22
这篇综述详细介绍了声学聚焦与墨水直接写入打印模式相结合以调节材料传输特性的相关文献。同时对介绍了声聚焦与扩散自组装相结合案例及不同时间尺度上快速组装和打印多尺度的胶体固体定向自组装过程。对功能复合材料的声场辅助印刷、扩散自组装与声场辅助打印的集成、扩展声场辅助打印的理论模型进行了总结。

文章来源：https://doi.org/10.1557/s43580-021-00090-5

4. Small Methods（IF:15.367）：通过无喷嘴声学液滴喷射进行多尺度生物3D打印；2021.05.04
研究背景：生物打印可制造出复杂的载细胞水凝胶结构在随后的细胞培养过程中成熟为组织替代物。挤出式生物3D打印机中使用的喷嘴会限制打印分辨率，并且在喷嘴尺寸低于100 µm时会出现堵塞的状况，喷嘴直径的减小也会增加打印过程中的剪切应力，从而影响细胞活性。
研究内容及结果：介绍了一种基于声学液滴喷射原理的新型生物3D打印方法，该方法打印过程中不使用喷嘴，从而最大限度地减少了临界剪切应力。通过仿真结果可知，声学液滴喷射过程中的最大剪切应力比150 µm直径的喷嘴剪切应力低 2.7 倍，可打印毫米长度尺度范围内的细胞簇及单个细胞尺寸的液滴。该方法可实现载细胞结构的精确3D构建，对干细胞形态、增殖或分化能力没有负面影响。

文章来源：https://doi.org/10.1002/smtd.202000971

5. Science Advances（IF:14.957）：声泳打印；2018.08.31
研究背景：基于液滴的打印方法广泛用于生物3D打印的应用之中。然而，喷墨或电流体动力打印方法仅适用于具有低粘度或特定电磁特性的材料。声泳力的产生与材料性能无关且尚未用于生物3D打印。

研究内容及结果：本文介绍了一种声泳印刷方法，该方法能够按需对各种软材料进行图案化，包括牛顿流体，其粘度跨越四个数量级和屈服应力流体。通过利用亚波长法布里-珀罗谐振器的声学特性产生了一种精确的、高度局部化的声泳力，该力可以超过重力两个数量级，以用于打印微升到纳升体积的液滴。声泳印刷可以对食物、光学树脂、液态金属和载有细胞的生物基质进行图案化。

文章来源：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.aat1659

6. Lab on a Chip（IF:7.517）：功能性肿瘤微环境的声滴打印；2021.02.24
研究背景：功能性组织制造对于组织工程、再生医学和生物学研究具有重要意义。然而，目前的 3D 生物打印技术难以将生物墨水（由细胞和材料组成）精确排列在高保真 3D 结构中，并难以打印出高浓度和高活力的多种类型的细胞，这使得细胞生长、相互作用和功能受到严重限制。
研究内容与结果：本文引入了声学液滴打印方法来进行生物组织的3D 生物打印，通过声学液滴打印方法构建了一个由肿瘤球体组成的肿瘤微环境，该球体被高浓度的癌症相关成纤维细胞包围。建立了由相互肿瘤细胞-成纤维细胞相互作用调节的动态肿瘤侵袭功能。本文验证了声学液滴打印具有无喷嘴、无接触和低细胞损伤的优点，意味着声学液滴生物打印方法可以创建更多功能的天然组织、类器官或疾病模型。

文章来源：https://doi.org/10.1039/D1LC00003A

7. Biofabrication（IF:11.061）：使用声学技术捕获细胞球体和类器官；2020.06.29
研究背景：基于细胞球体或类器官的生物制造技术在基础研究和转化生物医学应用方面非常具有着发展前景，细胞球体和类器官的精确定位和排列对于重建组织工程和再生医学的复杂组织结构至关重要。

研究内容与结果：提出了一种数字声学方法灵活性操纵细胞球体和类器官。本文证明数字声学技术可以精确控制球体细胞和类器官的相互作用，具有良好的生物相容性。数字声学技术制造简单，同时，数字声学技术方法可以实现非接触、无标签和高度生物相容的方式精确操作和定位各种细胞球体或类器官。

文章来源：https://doi.org/10.1088/1758-5090/ab9582

8. Materials & Design：利用超声引导自组装和3D打印制造仿生柔性材料；2019.10.10
研究背景：近年来，制造具有分层微结构的工程材料如柔性生物传感器、电极以及电导体在零件或组件中的集成被广泛研究。目前使用的磁场结合立体光刻术、传统铸模铸造和冷冻铸造等方法对材料选择、可能的材料几何形状和尺寸可扩展性具有严格的要求。
研究内容与结果：本文将超声引导的自组装与3D打印集成在一种称为“超声3D打印”的新制造工艺中，实现了具有模仿天然材料特性的工程材料的制造。该工艺允许3D打印原料由液体光聚合树脂和分散的超细纤维组成，并能够用排列整齐的碳超细纤维线制造材料。研究评估了超声波工作频率和打印速度对纤维对齐、对齐纤维相邻线之间的距离以及由此产生的样品电导率和机械性能的影响。结果表明，在考虑超声波工作频率和打印速度的因素时，材料样本中的对齐纤维线在相邻对齐纤维线之间的距离方面显示出显著差异。这种集成超声的3D打印允许制造具有调整特定材料特性的集成子结构的材料。

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108243

9. Journal of Manufacturing Processes：基于声场辅助喷墨的碳纤维增强PDMS复合材料增材制造；2022.06.06
研究背景：聚二甲基硅氧烷（PDMS）由于其高生物相容性、良好的化学和热稳定性以及优异的光学性能，在生物医学、电气、可穿戴设备和其他高科技行业的生产中得到了广泛的认可。然而，PDMS较差的机械性能限制了其在低应力应用中的应用。
研究内容与结果：为了克服机械性差这一问题，添加了铣削碳纤维（CF）以使用基于喷墨的添加剂制造（AM）技术制造CF增强PDMS复合材料。为了减少内部缺陷，如空隙，并在CF增强PDMS复合材料中实现均匀的CF分布，将声场引入基于喷墨的AM技术。实验结果表明，添加声场后的应用有利于减少缺陷和均匀CF在制造样品中的分布。此外，与非声场处理的样品相比，使用声场处理的样品表现出更好的拉伸性能，尤其是伸长率和韧性，以及增强的动态机械性能（例如储能模量）。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.05.059