浙大团队：轴向光刻3D打印技术在生物组织工程中的应用和优缺点

　　2019年，计算轴向光刻技术因为一篇发表于science的文章而引发关注。它采用一种完全不同的方式实现3D打印，在这个过程中，光从一个商用的DLP投影仪里射出，投向一个装有光敏液体且持续旋转的系统，在不到一分钟的时间里，物体就在液体里逐渐成型了。这个系统的核心就是CAL算法。

　　轴向光刻技术存在争议，也存在问题

　　计算轴向光刻技术是受到了计算机断层扫描（CT）的启发，因为成型方式的不同，也被称为“体积增材制造”技术。这项技术的研究者加州大学与劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究团队申请了一项美国专利，然而类似的技术已由国内研究人员于2016年提出（PCT/CN2016/080097），因此引起了一些争议。此外，虽然这种方法理论上可以获得高分辨率，但与传统的DLP技术一样存在一些问题。

　　轴向光刻技术的原理

　　首先，该技术仅限于光敏材料，因而限制了制备多材料或微结构的潜力。在打印过程中，固化区域悬浮在液体中，通过加入高粘性或固体前驱体来减轻位移和几何错位。然而，这可能导致前驱体材料残留在结构中。

　　其次，氧含量的衰减和氧/抑制分子的扩散对该技术制造精度的影响有待进一步研究。目前研究人员提出了一种延迟固化时间的氧抑制方法。通过在打印材料中充分溶解氧或其他抑制分子，光引发剂产生的自由基优先与抑制剂反应，从而在目标区域中积累足够的光强度以确保固化。然而，在打印过程中，目标位置液体中的氧含量会衰减，因此非线性衰减对材料响应的影响需要进一步研究。在反应的最后阶段，目标位置的氧气低于阈值，材料迅速凝固。在这种液-固转换过程中，氧和其他抑制分子的反应机理还需要更多研究才能提高制造精度。

　　该技术打印的“思想者”

　　第三，光的散射和光学叠加影响制造精度。目前，通过加入染料可以限制入射光的波段，垂直入射可以降低光折射引起的模糊。然而，由于容器壁和液固界面的物理性质，入射光必然会引起一定程度的折射、反射和衰减。由于投影系统的焦距远大于打印体的直径，因此忽略了光路的这些变化。当分子聚集时，固液界面也会引起光路的变化，从而导致能量损失和成像误差。因此，为了提高打印精度，必须考虑这些因素。

　　在生物打印和再生医学领域有重要应用潜力

　　尽管对CAL技术存在争议，但随着计算算法和光分析的改进，这项技术将产生更多技术突破，特别是在生物打印和再生医学领域。浙江大学的研究团队一直在进行角膜、皮肤和心脏贴片的3D打印研究，旨在开发可移植组织植入物来治疗疾病和损伤，如角膜病变引起的失明、皮肤烧伤和心肌梗死。

　　3D打印在生物打印和再生医学领域具有重要应用潜力

　　研究人员正在密切跟踪各种生物制造技术的发展，与传统的增材制造技术相比，计算轴向光刻技术在生物组织工程领域至少具有以下优势：

　　首先，CAL技术在液体材料制备组织或器官方面具有固有的优势。目前，至少有15种组织或器官可以使用粘性液体材料（骨、软骨、角膜、神经、肌肉、血管、淋巴组织、内分泌腺、子宫、卵巢、宫颈阴道组织、肺、气道、肝、肾）进行3D打印，其中角膜、肝、血管可以使用DLP技术。

　　其次，CAL允许构建坚实光滑的表面，使大多数组织和器官的制造成为可能。例如，可以制造出表面光滑的透明角膜，并有可能移植到动物甚至人类患者身上。最后，CAL在所有其他3D打印技术中实现了前所未有的制作速度，显著加快了从制造到手术的过程。

　　计算轴向光刻技术增材制造技术的一大进步，它提供了前所未有的制造速度和分辨率。一旦适应生物医学的应用要求，这项技术将为组织工程和再生医学提供革命性的发展。