浙大團隊:軸向光刻3D打印技術在生物組織工程中的應用和優(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的“體積增材制造”技術，并申請了相關專利。 該技術通過累積光照使特定目標區(qū)域的材料固化，從而打印出事先設計好的三維構件，該技術顯著提高了數(shù)字光處理 （DLP） 技術的能力。

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。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”，被中國人質疑抄襲自己專利

（1） 該技術僅能兼容光敏材料，因而其制造包含多材料或微結構的構件時能力有限。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。這可能會導致前體材料殘留在成品構件中。

（2） 氧含量的衰減及氧或抑制分子的擴散對該技術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)劑產生的自由基優(yōu)先與抑制劑發(fā)生反應，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的影響有待進一步研究。作者認為，光引發(fā)劑和氧的反應在“計算軸向光刻”過程中消耗了比例最多的時間。在反應的最后階段，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件的直徑，因此忽略了光學路徑的變化。當分子聚合時，液-固界面也會導致光路的變化，從而導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存在爭議，但通過改進算法和對光的深入分析，該技術將可能實現(xiàn)技術突破，尤其在生物3D打印和再生醫(yī)學領域。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的發(fā)展。我們相信CAL與傳統(tǒng)增材制造技術相比具有諸多優(yōu)勢。

首先，該技術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、肌肉、血管、淋巴組織、內分泌腺、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 [7–9]。其次，CAL可實現(xiàn)光滑表面的構建，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因其前所未有的制造速度和分辨率，成為增材制造領域的一項重大進步。如果該技術能夠更加適應生物醫(yī)學應用領域的實際需求，該技術將為組織工程和再生醫(yī)學提供一種變革性的工具。