顶刊视角：Science、Nature 权威解读体积光固化技术大汇总

来源：EFL生物3D打印与生物制造

体积光固化打印技术是 3D 打印领域的前沿技术，它基于独特的光固化原理，突破了传统逐层打印的局限。在该技术中，光固化材料（如光敏树脂等）被放置在特定的容器内，通过对三维物体的断层层析二维照片进行全息重构，然后按不同角度对全息重构体进行立体切片，再通过背投技术将这些动态的切片按时间顺序投影至旋转的打印瓶中，并完全穿透打印瓶中的光敏材料。这种方式使得打印瓶中的光固化生物墨水以及细胞能从所有方向上同时形成三维物体，实现无接触、超快速的体积式打印。

与传统的逐层式打印技术相比，体积光固化打印技术优势显著。打印效率上，它极大缩短了成型时间，厘米级尺寸的三维（活性）结构仅需 10 到 120 秒就可打印完成 ，而传统逐层打印构建同样尺寸结构往往需要数小时甚至更久。以打印复杂的类器官模型为例，传统方法可能需要数小时逐层堆叠，而体积光固化打印能在短短几十秒内完成。在打印精度与质量方面，它可实现高精度打印，打印分辨率可达 50 微米，且打印物体表面光滑，真实模拟器官表面结构等精细特征，同时避免了逐层打印中层与层之间可能出现的结合不牢等问题，提升了整体结构强度与稳定性。

一、《Science》：断层重建式体积增材制造（CAL）— 使用光敏材料和动态光图案

来自加州大学伯克利分校机械工程系的Hayden K. Taylor教授团队开发了一种计算轴向光刻（CAL）技术，通过对光固化材料旋转体进行动态光图案照射，实现三维物体内所有点的同步打印。相关研究成果以题为“Volumetric additive manufacturing via tomographic reconstruction”发表在《Science》上。

增材制造有望带来巨大的几何自由度，以及为实现复杂功能而组合材料的潜力。但增材制造过程的速度、几何形状和表面质量方面的限制，都与它们对材料分层的依赖有关。而研究团队通过用动态变化的光图案照亮旋转的光敏材料体积，实现了三维物体内所有点的同时打印。在工程丙烯酸酯聚合物中，团队打印出了小至 0.3 毫米的特征；并在甲基丙烯酸明胶水凝胶中打印出了表面异常光滑的软结构。该过程能够构建包裹其他预先存在的固体物体的组件，实现多材料制造。研究团队还开发了描述速度和空间分辨率能力的模型，并展示了各种厘米级物体的打印时间在 30 到 120 秒之间。

在此研究中，CAL 技术通过光聚合作用实现了任意几何形状的体积合成。与传统的基于层的打印方法相比，CAL 方法具有多个优势。该方法可以规避支撑结构，因为它能够在高粘度流体甚至固体中进行打印，还能围绕预先存在的固体组件打印 3D 结构。CAL 可扩展到更大的打印体积，并且在更广泛的条件下，比逐层打印方法快几个数量级。

全文链接:
https://doi.org/10.1126/science.aau7114


二、《Science》：微尺度计算轴向光刻实现石英玻璃的体积增材制造

来自美国加利福尼亚大学伯克利分校的 Joseph T. Toombs、Hayden K. Taylor 教授团队提出了一种用于制造二氧化硅玻璃的微尺度计算轴向光刻（micro-CAL）技术。通过断层扫描聚合光固化二氧化硅纳米复合材料，随后进行烧结，成功制造出多种复杂微观结构，包括内径 150 微米的三维微流体装置、表面粗糙度 6 纳米的自由形式微光学元件等。相关研究成果以题为“Volumetric additive manufacturing of silica glass with microscale computed axial lithography”发表在《Science》上。

micro-CAL 技术凭借光聚合作用，实现了石英玻璃复杂微观结构的体积合成。相较于传统加工方法和部分增材制造技术，micro-CAL 优势显著。打印时，前驱体材料和制造对象间无相对运动，便于使用高粘度和触变性纳米复合材料前驱体；其无层的特性有助于打造光滑表面和复杂几何形状；并且，打印过程中制造对象被前驱体材料包围，无需牺牲性固体支撑结构。这些特性使 micro-CAL 在微光学元件和微流体等应用领域极具价值。

全文链接:
https://doi.org/10.1126/science.abm6459


三、《Nature》：Xolography—— 双色光固化快速3D打印

来自德国勃兰登堡应用科学大学的Martin Regehly教授和德国柏林洪堡大学的Stefan Hecht教授团队基于双色光聚合技术（DCP）提出了一种新型增材制造技术，称为“X交叉法（Xolography）”3D打印技术，利用可光开关的光引发剂，通过不同波长的交叉光束线性激发，实现了在限定单体体积内的局部聚合。相关工作以“Xolography for linear volumetric 3D printing”为题发表在《Nature》上。

Xolography 技术采用双色光激发方式。一束特定波长的光片将光引发剂分子从初始的休眠状态激发到具有有限寿命的潜伏状态；另一束正交方向的不同波长的光，将三维模型的截面图像聚焦到光片平面，只有处于潜伏状态的引发剂分子吸收该光并引发当前层的聚合反应。随着树脂体积在固定光学装置中同步移动并投影一系列图像，就能持续制造出所需物体。该技术使用的双色光引发剂（DCPI）是将苯甲酮 II 型光引发剂集成到螺吡喃光开关中，具备高效的光切换和光引发性能，以及良好的光谱和热特性 。研究团队还开发了相应的打印机系统，通过优化光片生成、补偿光衰减以及精确控制投影和移动参数，实现了快速、高分辨率的打印。

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

四、《Nature Reviews Materials》：体积3D打印在医疗、材料和机器人领域的应用

来自荷兰乌得勒支大学Riccardo Levato教授团队聚焦于体积3D打印技术，这是一种新型制造范式，能实现无层制造，速度快、分辨率高且设计自由度大。研究人员整合物理方法、工艺工程和材料化学等多学科知识，对体积打印技术进行了全面探索。研究涵盖关键的体积打印技术，分析其优势与挑战；详细阐述适配材料的设计标准；探讨该技术在光学系统、软机器人、生物打印等领域的应用前景。相关工作以“The road ahead in materials and technologies for volumetric 3D printing”为题发表在《Nature Reviews Materials》上。

多光束叠加和断层扫描体积打印技术中，断层扫描体积打印借鉴了 3D 医学成像中的计算断层扫描原理，可在数十秒内制造出几乎不受限制的厘米级几何形状，但在重建算法、光散射和光衰减等方面仍有待改进 。光片基打印技术，如 xolography，利用双色光实现了较高的剂量对比度，能在几分钟内制造出特征尺寸达几微米的物体；类似的光片 3D 微打印技术则适用于对精度要求较高的应用场景，但在打印速度和通用引发剂使用方面存在挑战。声场基体积打印技术利用声波实现材料的选择性固化，在材料兼容性和穿透深度方面具有独特优势，但目前在分辨率、波前调制等方面还需进一步发展。同时，研究团队指出，体积打印的发展离不开新型材料配方的开发。引发剂作为关键要素，不同打印技术对其有不同要求，且目前存在效率和对比度等方面的问题，需要探索替代引发机制。在打印前驱体方面，多种材料体系已被应用，但各有优缺点，可通过混合不同单体 / 低聚物来综合优势。此外，该技术在陶瓷、玻璃和光学元件制造、软机器人和可移动部件制造以及生物打印等领域展现出了应用潜力，但在打印精度、表面质量和细胞密度等方面还需进一步优化 。在硬件和计算方面，先进的硬件设计和算法有助于提高打印分辨率和准确性，实时监测和成像技术的发展则为打印过程的优化提供了可能。

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

五、《Science Advances》：一步法体积增材制造复杂聚合物结构—— 使用全息光场图案化技术

来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Maxim Shusteff、Christopher M. Spadaccini 教授团队与麻省理工学院的Nicholas X. Fang 教授团队合作提出了一种全新的体相加制造范式，通过多光束投影到光敏树脂中产生图案化光场的叠加，实现一次操作成型复杂的非周期性三维几何形状的光聚合物结构，成功克服了传统增材制造技术速度慢和几何约束的问题。相关研究成果以题为“One-step volumetric additive manufacturing of complex polymer structures”发表在《Science Advances》上。

增材制造方法中基于层的制造方式存在两个局限性：速度慢和几何形状受限（包括表面质量差）。本研究克服了这些限制，引入了一种新的体积增材制造范式，能在数秒内制造出具有复杂非周期性三维几何形状的光聚合物结构。研究团队通过光场的全息图案化实现了该方法，展示了多种结构的制造过程，并研究了这种制造方法所需的光图案和光敏树脂的特性。结果表明，含有约 0.1% 光引发剂的低吸收树脂，在适度功率（约 10 至 100 毫瓦）照射下，可在约 1 至 10 秒内成功构建完整结构。

该制造范式通过多光束投影到光敏树脂中形成的图案化光场叠加，实现了复杂非周期性三维体积的一次性成型，且无需基板或支撑结构。这一过程借助多光束的叠加，弥补了单光束光学系统轴向分辨率的不足。研究团队展示了复杂的毫米级非周期性结构的制造，并对关键工艺参数进行了初步研究。通过优化，该方法有望实现光学系统衍射极限的特征制造。

全文链接:
https://doi.org/10.1126/sciadv.aao5496

六、《Nature Communications》：类断层扫描3D打印新突破——实现厘米级部件 80μm 高精度打印

来自瑞士洛桑联邦理工学院Damien Loterie、Christophe Moser、Paul Delrot团队在计算轴向光刻方法的基础上，提出了“高分辨率的层析制造法”，极大地提高打印速度和尺寸范围。该团队发现低强度照明系统有助于实现高分辨率特征打印。相关工作以“High-resolution tomographic volumetric additive manufacturing”为题发表在《Nature Communications》
上。

断层扫描增材制造技术基于对光敏树脂整体体积的同时照射。通过控制树脂的吸收长度，使照明光能够深入构建体积。在打印过程中，装有树脂的圆柱形容器旋转，侧面受到计算生成的光图案照射，这些光图案由数字光处理（DLP）调制器产生，并与树脂容器的旋转运动同步显示 。光图案代表从不同旋转角度看到的待制造物体的投影，通过类似 X 射线计算机断层扫描的 Radon 变换计算得出。经过各个角度的光图案照射后，树脂内形成三维累积光剂量分布，当局部光剂量达到树脂的凝胶化阈值时，所需物体便固化成型。研究团队通过选择高粘度树脂减少了物体沉降和反应物种扩散对打印分辨率的影响；利用低强度照明系统，提高了打印分辨率；还集成了反馈系统，根据相机记录的图像信息调整光剂量，进一步提升了打印部件与数字模型的契合度。

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

七、《Nature Communications》：天然丝蛋白墨水助力体积增材制造飞跃

来自哈佛医学院的Yu Shrike Zhang教授团队采用天然、未改性的纯丝蛋白（SS）和丝素蛋白（SF）制备生物墨水，用于体积增材制造（VAM）技术中。利用丝胶（SS）和丝素（SF）实现快速生物打印，并展现出多种优异性能及潜在应用。 相关工作以“Volumetric additive manufacturing of pristine silk-based (bio)inks”为题发表在《Nature Communications》上。

研究人员利用 VAM 技术对天然、未改性的纯 SS 和 SF（生物）墨水进行打印。在打印过程中，装有（生物）墨水的透明容器旋转，同时受到由投影仪模块发射的计算光图案照射，这些光图案与容器旋转同步显示，通过 Radon 变换计算得出，最终使墨水发生光交联固化形成所需物体 。研究团队对不同浓度的 SS 和 SF（生物）墨水以及各种光引发剂比例进行了打印性能优化评估，发现低浓度（2.5%）的 SS 和 SF 墨水即可实现快速（生物）打印，并能在数十到数百秒内构建出复杂的体积结构。此外，研究团队还对打印结构体的收缩膨胀性能、机械性能、细胞相容性等进行了全面表征，并展示了其在生物医学领域的概念验证应用，如细胞培养、组织工程和骨植入等方面的潜在用途。

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

八、《Nature Communications》：全息相位编码重塑体积打印技术

洛桑联邦理工学院Christophe Moser教授团队提出了一种基于全息相位调制的新型体积式立体光刻（VAM）技术，称为HoloVAM。该技术通过相位编码提高了光效率，相比振幅编码提升至少 20 倍，还能对光束进行 3D 数字控制。团队利用平铺全息图和点扩散函数整形等方法减少了散斑噪声，并使用低发散光束近似拉东变换的光线光学假设，实现了在多种材料中快速打印高精度的 3D 物体。相关工作以 “Holographic tomographic volumetric additive manufacturing” 为题发表在《Nature Communications》上。

与传统 TVAM 中使用的振幅调制不同，相位编码具有诸多优势。一方面，相位编码能提高光效率，使显示器的所有像素都能为投射的强度图案做出贡献，而传统振幅编码中大部分入射光会损失；另一方面，相位编码可对全息图中的点扩散函数（PSF）进行修改，实现对光束的 3D 数字控制 。研究团队使用基于数字微镜器件（DMD）的投影系统，通过 HoloTile 方法实现了近无散斑的投影，并展示了计算全息图的流程。通过实验，团队在丙烯酸酯基树脂和细胞负载水凝胶中成功打印出毫米级物体，验证了该技术在提高打印效率、分辨率以及在散射材料中打印的可行性。

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