浙大團隊:軸向光刻3D打印技術(shù)在生物組織工程中的應(yīng)用和優(yōu)缺點

作者：張斌，高磊，薛茜，崔占峰，馬梁，楊華勇
來源：浙大學(xué)報

2019年，Kelly等受到計算機斷層成像（CT）的啟發(fā)，報告了一種基于計算軸向光刻技術(shù)的“體積增材制造”技術(shù)，并申請了相關(guān)專利。 該技術(shù)通過累積光照使特定目標區(qū)域的材料固化，從而打印出事先設(shè)計好的三維構(gòu)件，該技術(shù)顯著提高了數(shù)字光處理 （DLP） 技術(shù)的能力。

而在2016年，吳翔在專利（申請?zhí)朠CT/CN2016/080097）中也提出了基于類似算法的光刻技術(shù)。盡管這種方法理論上可以達到很高的分辨率，但與傳統(tǒng) DLP 方法類似，其仍存在以下三方面的問題。
《Science》革命性高速“容積3D打印技術(shù)”，被中國人質(zhì)疑抄襲自己專利

（1） 該技術(shù)僅能兼容光敏材料，因而其制造包含多材料或微結(jié)構(gòu)的構(gòu)件時能力有限。例如，目標區(qū)域的材料在固化過程中懸浮在液體中。高粘性或固態(tài)的前體材料然后被添加進去以減少位移和幾何錯位引起的模糊。這可能會導(dǎo)致前體材料殘留在成品構(gòu)件中。

（2） 氧含量的衰減及氧或抑制分子的擴散對該技術(shù)精度的影響有待進一步研究。作者提出了一種氧抑制方法以達到延緩固化時間的目的。通過在打印材料中充分溶解氧氣或其他抑制分子，由光引發(fā)劑產(chǎn)生的自由基優(yōu)先與抑制劑發(fā)生反應(yīng)，從而確保在目標區(qū)域積聚足夠的光強以使材料固化。然而在打印過程中，目標位置的液體含氧量的非線性衰減對材料響應(yīng)的影響有待進一步研究。作者認為，光引發(fā)劑和氧的反應(yīng)在“計算軸向光刻”過程中消耗了比例最多的時間。在反應(yīng)的最后階段，目標位置的氧含量低于閾值，材料迅速凝固。在此液固轉(zhuǎn)化過程中，氧或其他抑制分子的擴散將需要深入的研究，以進一步提高制造精度。

（3） 光的散射和疊加會影響制造精度。入射光的帶寬因添加的染料而受到限制，而光折射引起的模糊則因垂直入射量而減少。然而，由于容器壁的物理特性和液-固界面的存在，入射光必然發(fā)生一定程度的折射、反射和衰減。由于投影系統(tǒng)的對焦深度遠遠大于所打印構(gòu)件的直徑，因此忽略了光學(xué)路徑的變化。當分子聚合時，液-固界面也會導(dǎo)致光路的變化，從而導(dǎo)致能量損失和成像誤差。因此，將這些因素納入考量有可能進一步提高打印精度。

盡管計算軸向光刻技術(shù)存在爭議，但通過改進算法和對光的深入分析，該技術(shù)將可能實現(xiàn)技術(shù)突破，尤其在生物3D打印和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。筆者長期以來在研究角膜、皮膚和心臟補片的3D打印，旨在開發(fā)可移植的組織替代物以用于治療疾病和損傷，如角膜性失明、皮膚燒傷和心肌梗死。作為《Bio-Design and Manufacturing》雜志的發(fā)起人之一，我們跟蹤各種前沿生物制造技術(shù)的發(fā)展。我們相信CAL與傳統(tǒng)增材制造技術(shù)相比具有諸多優(yōu)勢。

首先，該技術(shù)在液體材料中制造組織或器官具有天然的優(yōu)勢。目前，至少有15類組織或器官可使用粘性液體材料（骨、軟骨、角膜、神經(jīng)、肌肉、血管、淋巴組織、內(nèi)分泌腺、子宮、卵巢、宮頸組織、肺、氣道、肝臟、腎臟）進行3D打印[5, 6]，其中3種（角膜、肝臟、血管）已采用了DLP技術(shù) [7–9]。其次，CAL可實現(xiàn)光滑表面的構(gòu)建，具有制造大多數(shù)組織器官的潛力。例如，具有光滑的表面透明角膜可以被制造出來，并移植給動物、甚至人類患者。最后，CAL 的制造速度在所有3D打印技術(shù)中位于前列，可顯著加快了從實驗到臨床的過程。

基于CAL的體積增材制造技術(shù)因其前所未有的制造速度和分辨率，成為增材制造領(lǐng)域的一項重大進步。如果該技術(shù)能夠更加適應(yīng)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的實際需求，該技術(shù)將為組織工程和再生醫(yī)學(xué)提供一種變革性的工具。