特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨米測MeLab
編輯丨風云
研究背景
增材制造是一個不斷擴大的多學科領域，其應用領域包括醫療設備、航空航天部件、微加工策略和人造器官。在增材制造方法中，基于光的打印技術，包括雙光子聚合，投影微立體光刻和體積打印，由于其速度，分辨率或生物制造的潛在應用而引起了極大的關注。
關鍵問題
然而，增材制造的研究主要存在以下問題：
1、現有的打印方法存在材料成分和固化程度的限制
現有的立體平板印刷存在打印速度、材料成分和產量的限制；在體積打印方法中，固化程度對聚合劑量和材料組成都高度敏感，這限制了可以使用的材料類型和打印過程中的化學控制，進而可能影響打印結構的機械性能和生物相容性。
2、分辨率和材料透明度的關聯限制了打印結構的功能化和復雜性
其他體積打印技術雖然允許快速制造自由浮動的各向同性結構，但它們受到專業光學系統或材料配方要求的限制，這限制了打印結構的功能化和復雜性，尤其是在需要集成多種材料或生物活性成分的應用中。
新思路
有鑒于此，墨爾本大學Callum Vidler、David J. Collins等人介紹了動態界面打印，這是一種新的3D打印方法，利用聲學調制，約束氣液邊界在幾十秒內快速生成厘米級3D結構。與體積法不同，這種方法在保持快速打印的同時，消除了對復雜的反饋系統、專業化學或復雜光學的需要。作者展示了這種技術在各種材料和復雜幾何形狀上的多功能性，包括那些無法用傳統的逐層方法打印的材料。在此過程中，作者還展示了復雜結構的快速原位制造，套印，結構并行化和生物制造的實用性。此外，作者表明，在氣液邊界形成的表面波可以增強質量輸運，提高材料的靈活性，并允許3D粒子圖案。因此，預計這種方法對于需要高分辨率，可擴展吞吐量和生物相容性打印的應用將是非常寶貴的。
技術方案：
1、展示了在幾十秒內制造各種厘米級物體的動態界面打印方法
作者展示了DIP技術通過調節打印頭內壓力控制氣液彎月面，實現快速、高分辨率3D打印，適用于多種材料，能在幾十秒內制造厘米級物體。
2、闡述了動態界面打印技術的特性
DIP技術需將3D模型轉為圖像序列，通過彎曲的彎月面投影。利用貝塞爾曲線預測界面形狀，可實現快速、高分辨率3D打印，并適用于生物材料。
3、探究了DIP技術通過聲學調制振動打印界面
DIP技術通過聲學調制振動打印界面，提升3D打印速度和精度，減少顆粒添加劑異質性，提高封裝效率。
4、展示了DIP技術的功能
作者證實了DIP技術可提升流速和質量傳輸，支持高分辨率打印和多材料結構制造，適用于生物制造，具有低細胞毒性和高細胞活力。
技術優勢：
1、提出了一種聲學驅動的約束氣液界面快速3D打印技術
作者提出了一種快速3D打印技術，這種動態界面打印技術利用聲學調制，約束氣液邊界在幾十秒內快速生成厘米級3D結構，消除了對復雜反饋系統、專業化學或復雜光學的需求。
2、闡明了表面波可以增強質量輸運，并允許3D粒子圖案化
作者表明，在氣液邊界形成的表面波可以增強質量輸運，提高材料的靈活性，并允許3D粒子圖案化。這種特性預計對于需要高分辨率、可擴展吞吐量和生物相容性打印的應用將是非常寶貴的。
技術細節
動態界面打印
本工作報道的動態界面打印（DIP）是一種創新的3D打印技術，使用底部開口、頂部密封的中空打印頭，將空氣困在液體預聚物溶液中形成氣液彎月面。通過可見光聚合，結合投影系統傳送圖案化橫截面，實現快速打印。DIP的核心在于動態調節打印頭內壓力，控制彎月面形狀和位置，實現靜態或聲學調制的動態彎月面。這種調制允許毛細重力波形成，增強質量輸運，提高制造率，實現高分辨率結構的快速形成。DIP與容器無關，不限制容器形狀或光學特性，擴大了材料處理范圍，并實現了3D粒子圖案化和套印功能，能在幾十秒內制造厘米級物體。
圖 DIP原理圖
DIP特性
動態界面打印（DIP）技術要求將3D數字模型轉換為圖像序列，并通過投影系統顯示。與標準立體光刻不同，DIP使用彎曲的彎月面，需要符合界面輪廓的圖像。打印從壓縮界面開始，形成薄流體膜，隨后壓縮輪廓后退，直至與容器底部相切。貝塞爾曲線用于求解楊氏-拉普拉斯方程，預測界面形狀。DIP通過3D貝塞爾曲面切片計算投影序列，確保正確的3D物體形成。相比其他技術，DIP打印速度快，剪切小，適用于生物模型制造。例如，在PEGDA水凝膠中，實現了超過700 μm/s的線性打印速率。DIP還考慮了打印頭邊界附近的圖像失焦問題，通過理論分析預測等效散焦像素大小，并評估彎月面的可用分數，以保持均勻的投影分辨率。
圖 DIP系統的特性
DIP聲調制
DIP技術通過聲學調制振動打印界面，增強基于光的3D打印過程，并增加圖案化自由度。這種調制在氣液界面產生毛細管重力波，促進流體流動，提高打印速度和精度。DIP技術通過調節打印頭體積激發界面，保持與容器無關性，消除了壓力場與容器形狀的耦合。毛細重力波的快速衰減允許精確控制聲學信號組合。多色LED顯示了不同頻率下的波模式，產生切向和法向流動，增強質量傳輸。聲學調制顯著提升了流體速度，尤其在高粘度材料中，顯著增強材料流入。這種調制還減少了顆粒添加劑的異質性，提高了封裝效率，減少了創建致密支架所需的顆粒添加劑或細胞總數，優化了生物打印過程中的細胞分布。
圖 DIP中的聲調制
DIP功能
DIP技術相較于傳統立體光刻，通過聲學調制顯著提升了流速，最高可達10倍，有效改善質量傳輸和材料膜均勻性問題。DIP技術不受幾何限制，能夠制造包含多個獨立流體通道的結構，且能在不透明材料中減少光散射和吸收，實現高分辨率結構打印。此外，DIP支持多材料或多組分結構的直接原位疊印，允許固體部件穿過打印界面。在生物制造領域，DIP技術顯示出巨大潛力，能夠直接在水凝膠中打印載細胞結構，且細胞活力高，顯示出低細胞毒性。DIP技術還支持連續制造和多種材料密度組合，為制造平臺提供了靈活性。
圖 DIP功能
展望
總之，作者提出了一種快速且概念優雅的打印方法，該方法依賴于形成受約束和聲學調制的氣液界面。作者展示了一種多功能、高通量的方法，該方法對制造軟和生物相關材料具有獨特的優勢。DIP特別適合快速、高分辨率地打印柔軟生物材料，具有高通量生物制造潛力，能實現多種細胞類型的圖案化，對生物制造領域具有重大意義。
參考文獻：
Vidler, C., Halwes, M., Kolesnik, K. et al. Dynamic interface printing. Nature 634, 1096–1102 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08077-6
