浙江大学贺永团队：多材料投影式生物3D打印可打印性研究

研究背景

准确重建自然生物组织的复杂结构是生物3D打印的长期目标。投影式3D打印在所有3D打印技术中具有最高的分辨率/制造时间比，被认为是极具前景的生物打印技术。然而，使用具有不同力学性能的生物墨水进行标准化、高保真度和高分辨率的打印仍然是一项巨大的挑战，这源于缺乏系统性的研究和成熟的打印设备。多组分生物墨水的光聚合特性差异显著、材料组合适配性不明确、交叉污染难以避免、多材料打印分辨率缺乏评估标准等关键科学与工程问题亟待解决。

研究进展

本研究首先构建了多材料投影式生物3D打印的基本框架，设计并开发了基于料槽切换式的多材料打印设备，可支持六材料同步打印。提出了流体控制冲洗-负压辅助毛细吸附的协同清洁策略。此外，还集成了专用操作系统、力学监控系统、可视化模块、激光校准装置和柔性剥离机构，以确保打印设备的稳定性和可操作性。

多材料打印往往使用不同力学特性的生物墨水来进行模拟不同组织类型。然而，力学强度差异过大可能会面临力学失配或界面结合强度不足的问题。因此，探究软硬复合水凝胶的界面结合强度规律，并判断材料组合是否适合于多材料3D打印对于优化打印工艺非常重要。本研究提出了基于断裂能的界面结合强度判断标准，并作为可打印判据。探究了界面结构对可打印窗口的影响规律。

此外，交叉污染也是困扰多材料打印的主要问题，交叉污染可分为渗透污染和残留污染两类。针对渗透污染，建立了粘性生物墨水渗透测试标准方案，并研究了水凝胶分子网络密度和渗透物质分子量对渗透率的影响。针对残留污染，测试并优化了流体冲洗和负压辅助毛细吸附的工艺参数，有效避免了交叉污染。

最后，打印分辨率是评估3D打印技术制造能力的关键指标。多材料的引入使得打印过程更加复杂，影响因素之间相互耦合，难以准确分析误差来源和制定有效的评估标准。在多材料打印中，误差来源主要有以下三类：A类分辨率劣化：光固化不足或过固化导致的尺寸偏差；B类分辨率劣化：层内多材料打印的相互影响；C类分辨率劣化：墨水交叉污染导致的分辨率下降。本研究构建了交替辐条结构的分辨率测试模型并对打印分辨率进行系统测试与分析。

未来展望

本研究通过系统探索多材料投影式生物3D打印技术的多个关键环节，包括墨水切换、聚合特性、材料组合适配性、交叉污染控制、打印分辨率评估等，以期为解决这一领域技术瓶颈提供解决方案。基于多种常用生物墨水的实验验证证实其可行性与普适性，为组织工程与再生医学提供标准化制造平台。本研究的成果有望为医工交叉领域的研究人员提供理论支持和实践参考，以推动仿生组织体外构建的应用。