北德克薩斯大學(xué)開發(fā)超聲系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟水凝膠3D打印

2025年5月23日，南極熊獲悉，北德克薩斯大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種實(shí)時(shí)原位超聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠以亞波長(zhǎng)分辨率追蹤軟水凝膠3D打印中的交聯(lián)過程。

這項(xiàng)研究以題為“Real-time in-situ ultrasoundmonitoring of soft hydrogel 3D printing with subwavelength resolution”的論文發(fā)表在《通信工程》雜志上，為觀察明膠-海藻酸鹽水凝膠增材制造過程中的關(guān)鍵瞬態(tài)現(xiàn)象（包括層間粘結(jié)、表面變形和重力擴(kuò)散）提供了新方法。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44172-024-00318-w

由金宇琪和Arup Neogi領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)將一個(gè)10 MHz浸入式超聲換能器集成到BIO X生物打印機(jī)平臺(tái)中。平臺(tái)可以在材料沉積過程中持續(xù)收集聲學(xué)信號(hào)，從而不僅能夠在打印過程中進(jìn)行質(zhì)量控制，還能在離子交聯(lián)等后處理過程中進(jìn)行質(zhì)量控制。

超聲波作為生物打印質(zhì)量控制的工具

雖然光學(xué)相干斷層掃描 (OCT) 和 X 射線成像等光學(xué)技術(shù)已被用于增材制造 (AM) 監(jiān)測(cè)，但它們往往受到材料不透明度或電磁干擾的限制。相比之下，超聲波穿透深度更大，并且與高含水量水凝膠兼容。團(tuán)隊(duì)的裝置采用單站配置，將換能器嵌入定制鋁基板中，以實(shí)時(shí)跟蹤每個(gè)打印層的反射波形。

使用 COMSOL Multiphysics 進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬打印過程中的信號(hào)行為。超聲波反射使研究人員能夠檢測(cè)到噴嘴刮擦或擠壓不一致引起的層厚度、彈性和機(jī)械擾動(dòng)的細(xì)微變化。

監(jiān)控幾何形狀、表面質(zhì)量和材料行為

在使用全填充水凝膠塊的測(cè)試中，研究人員觀察到清晰的幾何結(jié)構(gòu)累積聲學(xué)指標(biāo)，隨后由于重量累積和噴嘴接觸導(dǎo)致層高降低。反射信號(hào)的傅里葉分析揭示了彈性和塑性變形，頻率色散與表面粗糙度相關(guān)。

△打印路徑配置：a完全填充樣品的打印圖案。b網(wǎng)格樣品的打印圖案。

超聲系統(tǒng)還在網(wǎng)格注入式支架打印件上進(jìn)行了測(cè)試，揭示了由于無支撐幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的重力下垂和結(jié)構(gòu)收縮。這些現(xiàn)象難以通過傳統(tǒng)的非原位方法檢測(cè)到，因此通過相位譜和動(dòng)態(tài)體積模量 (DBM) 剖面進(jìn)行了可視化。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將監(jiān)測(cè)延伸至交聯(lián)后階段。通過將樣品浸入CaCl₂溶液中，他們實(shí)時(shí)觀察了打印結(jié)構(gòu)的硬化和幾何變形。監(jiān)測(cè)使得確定最佳交聯(lián)持續(xù)時(shí)間成為可能，從而在不損害結(jié)構(gòu)完整性的情況下增強(qiáng)機(jī)械性能。

△與BIOX生物打印機(jī)集成的現(xiàn)場(chǎng)超聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概覽。圖片來自北德克薩斯大學(xué)通信工程系。

邁向智能生物打印系統(tǒng)

本研究演示的原位超聲系統(tǒng)為軟材料3D打印的實(shí)時(shí)缺陷檢測(cè)、參數(shù)調(diào)整和自動(dòng)化工藝優(yōu)化提供了途徑。盡管目前這套系統(tǒng)僅限于局部測(cè)量，但作者建議使用二維相控陣進(jìn)行擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)全平面覆蓋，并與閉環(huán)反饋系統(tǒng)集成。

通過深入了解生物打印過程中細(xì)微的機(jī)械和幾何變化，本系統(tǒng)可以幫助生產(chǎn)用于組織工程、藥物輸送和再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用的一致、高質(zhì)量的水凝膠結(jié)構(gòu)。

△全填充塊狀樣品打印的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。圖片來自北德克薩斯大學(xué)通信工程系。

這項(xiàng)研究以水凝膠增材制造領(lǐng)域的最新進(jìn)展為基礎(chǔ)。2021年，科學(xué)家們開發(fā)了一種用于3D打印應(yīng)用的高強(qiáng)度海藻基水凝膠，凸顯了海藻酸鹽的機(jī)械潛力。最近，3D打印水凝膠已被用于太空環(huán)境中的輻射屏蔽，凸顯了功能多樣性。同時(shí)，一項(xiàng)關(guān)于Xolography的研究引入了一種制造軟組織結(jié)構(gòu)的體積方法，突破了生物打印分辨率的極限。這些進(jìn)展凸顯了對(duì)強(qiáng)大的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的需求，例如本研究中演示的基于超聲波的方法，以確保復(fù)雜水凝膠打印過程中的質(zhì)量控制和可重復(fù)性。