微纳级3D打印(医疗应用)前沿研究与十一家领先公司

南极熊导读：纳米级和微米级3D打印有望从根本上颠覆医疗器械行业，因为它们的打印精度更高，侵入性更小，可用于小批量制作手术中和实验室设备中的产品或零件，通接下来，就跟随南极熊一起看看目前这项技术的领先研究和公司吧，并且让我们一起思考这样一个问题，高精度3D打印对医疗领域的未来有什么重要的意义？

领先的大学研究

维也纳工业大学
近年来，2PP（双光子聚合）和SLA（高精度立体光刻）等3D打印技术都取得了巨大进步，这些技术通常会催生商业衍生公司。第一个备受瞩目的项目是 2012 年通过维也纳工业大学内部开发的 2PP 技术生产的一辆一级方程式赛车。这辆 F1 赛车的长度为 285 微米，大约相当于一粒沙子（下图是使用电子显微镜拍摄到的图像）。2PP的技术原理就是操控高度聚焦的激光束，将液体树脂固化。树脂中的分子会引发聚合反应，使其固化，精度很高，打印速度也很快。这辆汽车共打印了100层，仅用了四分钟就打印完成。

△电子显微镜下：由2PP技术打印的F1赛车。（图片：维也纳工业大学）

普渡大学
2021 年，普渡大学的一组研究人员通过将多光子光刻与飞秒激光脉冲时空聚焦相结合，开发了一种快速纳米 3D 打印技术，能够制造具有光滑表面的复杂树脂物体。研究人员的目标是加速并扩大多光子光刻的规模。在一个打印件中，团队将超过 74,000 个小单元制作成 42 x 42 x 42 单元立方体，宽度接近 1 毫米。医生可以利用这项技术快速生产生物工程支架（通过组合多个 3D 打印纳米结构构建），供组织细胞生长。

△普渡大学：研究者使用数字微镜设备将超短激光脉冲引导到定制的移动平台上，从而实现快速纳米级 3D 打印
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-021-00645-z

佐治亚理工学院
2023年10月，佐治亚理工学院的研究人员开发了一种基于光的纳米 3D 打印技术，用来生产金属结构。据报道，此技术使用了超辐射发光二极管 (SLED)，不是通常使用的飞秒激光器，因此可以比其他传统方法快 480 倍，便宜 35 倍。当投影系统发出的光照射到透明墨水溶液（由金属盐和其他化学物质制成）时，会引起化学反应，将盐转化为金属。研究人员预计，由于进入成本显着降低，他们的技术将能够促进电子和光学等领域的发展。

△打印的GT图案(材质：银）
原文链接：10.1002/adma.202308112

斯坦福大学和北卡罗来纳大学教堂山分校
2021 年，斯坦福大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员开发了一种微针疫苗，其形式为 3D 打印排列在聚合物贴片上的微针。研究人员表示，疫苗贴片产生的免疫反应比通过针刺注入手臂肌肉的疫苗强 10 倍。3D 打印的微针是在 CARBON 创始人 Joseph DeSimone 开发的 CLIP 原型 3D 打印机上生产的，可以轻松定制，以开发用于流感、麻疹、肝炎或 COVID-19 疫苗的各种疫苗贴片。

△3D打印的微针贴片
原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2102595118

微米3D打印和纳米3D打印公司
许多大学项目衍生为商业公司，微米3D打印机和纳米3D打印机的供应商数量一直在稳步增加。其中一些公司，例如 Boston Micro Fabrication 和 Fabrica（Nano Dimension 的一部分），已经取得了非常重大的商业成功，能够制造使用传统方法无法制造的零件。

△Microfabrica

Microfabrica
Microfabrica于2018年被意大利公司Technoprobe收购，通过将先进的3D打印与半导体制造技术相结合，公司利用生物相容性材料制造微观、高精度和复杂的多部件仪器。Microfabrica已经与美国内窥镜公司合作开发亚毫米镊子，专为胃肠道内复杂的组织活检而设计，展示了微创医疗手术的重大飞跃。

Nanoscribe
德国 3D 打印先驱 Nanoscribe与鲁汶大学科学家合作，利用双光子聚合 (2PP) 制造合成微血管，可用于再生医学和药物发现，为动物测试提供替代方案。此外，波士顿大学的一个研究团队利用 Nanoscribe 的技术构建了微型人体心室模型，推进了疾病研究和基于芯片的器官的开发。Nanoscribe 推出的双光子灰度光刻 (2GL) 增强了微型内窥镜等医疗成像设备的高精度光学器件的生产。2GL 是基于 2PP 的最快微加工技术，正在推动微光学和光子学领域的发展。Nanoscribe已被收购，成为 BICO 公司集团的一部分。

△3D 打印的 Benchy 船。左侧部分是2GL 3D打印的，右侧部分采用基于 2PP 技术的3D打印。

Boston Micro Fabrication (BMF)
BMF 是 microArch 系列 3D 打印机的开发商，能够生产 RNDR Medical 的一次性内窥镜，其尖端将所有组件容纳在直径 3.3 毫米的液密轮廓内。BMF的投影微立体光刻 (PµSL) 技术具有 2 µm 至 25 µm 范围内的分辨率，以及 +/- 10 µm 至 25 µm 的公差。BMF PμSL 技术的其他医疗应用包括心血管支架和血液热交换器、3D打印了用于微创手术的螺旋注射器针头、用于基因测序仪的3D打印阀门以及芯片实验室（LOC）设备。

△microArch系列打印机

Fabrica 和 Nano Dimension
这家以色列公司成立时名为 Nanofabrica，后来更名为 Fabrica Group ，再然后被增材制造电子产品 (AME) 生产商 Nano Dimension收购。Fabrica 提供两种基于 DLP 技术的微型 3D 打印系统 Tera 和 Giga，可提供 1-5 微米的层间距，具有极高的精度。该公司还提供一系列针对高分辨率和可重复的微米级准确度和精度而优化的兼容材料。Nano Dimension 还使用其 DragonFly 3D 打印机和定制柔性材料直接生产可穿戴医疗设备，例如 40 μm 厚的可穿戴压电天线。Nano Dimension的技术还能够生产将光传输与电极相结合的植入式光电探针，用于读取电化学信号，以及芯片实验室设备，以及微米级机械塑料部件的小型化。

UpNano
UpNano是一家总部位于奥地利的高分辨率纳米3D打印技术开发商，利用其2PP解决方案来生产模仿细胞微环境的生物相容性结构和表面纹理，其结果在医学研究中发挥着越来越重要的作用。UpNano的 UpPhoto 和 UpOpto 材料的无细胞毒性和高生物相容性已通过 EN ISO 10992-5:2009 认证，UpNano还利用其技术直接在微流控芯片上生产微结构，并在市售或定制的微流控芯片中直接制造分离器、通道或膜等内部元件。

△UpNano提供多种光聚合物和溶胶凝胶混合材料

Exaddon
Exaddon 是一家微型金属增材微制造 (µAM)（金属微型 3D 打印工艺）提供商，使用其 CERES 3D 打印系统在室温下生产和修复微型金属物体，无需进行后处理。该公司使用这项技术的一种方式是制造用于植入大脑的微型电极，这些脑机接口通过电极或植入物将外部计算能力连接到大脑，预计将显著改变帕金森氏症或阿尔茨海默氏症等患者的生活。Exxadon 还生产用于药物输送的透皮微针阵列。使用这些空心、不易碎的针头是无痛的，也不会导致出血。

△Exaddon128 探针阵列的光学显微照片，直接 3D 打印在接触垫上

Incus
奥地利公司 Incus 利用其基于光刻的金属制造 (LMM) 技术（植根于光聚合原理）和生物相容性材料，实现突破性的医疗和牙科应用。这种方法能够通过微型 3D 打印生产具有复杂细节的高精度组件。典型应用延伸到定制牙托、牙冠、牙桥、种植体和专用手术夹具的创建，提供量身定制的解决方案以满足个别患者的独特解剖学要求，并提高医疗治疗的功效和舒适度。

Heidelberg Instruments
Heidelberg Instruments 于 2021 年与 Multiphoton Optics 合并，生产纳米流体和微流体设备。该公司的纳米流体设备可处理极少量的液体，是利用 NanoFrazor 系统的灰度图案功能生产的。该技术的应用范围从 DNA 测序到分选、组装和操作纳米粒子、蛋白质、酶、病毒或Angstrofluidics。微流体应用包括开发用于药物发现、护理点诊断和环境监测等领域的芯片实验室设备（为执行化学或生物反应提供小型化平台）。Heidelberg Instruments的MPO 100 2PP纳米3D打印系统用于创建更复杂的3D结构。

3D MicroPrint
德国的 3D MicroPrint 利用直接金属激光烧结 (DMLS)制造医疗设备（例如手术工具、植入物和实验室设备）所需的复杂零件，达到高分辨率细节。公司独特的微型 3D 打印能力基于极细的粉末，能够生产具有微米范围特征的零件，可创建用于微创手术技术的组件，通过减少恢复时间和并发症风险来改善患者的治疗结果。

Microlight3D
Microlight3D 是格勒诺布尔阿尔卑斯大学 (UGA) 的衍生公司，专门使用 2PP 技术生产复杂的微米级和纳米级医疗组件。由此产生的几何形状具有生物相容性，使其成为组织工程、微流体和细胞支架应用的理想选择。该公司的解决方案有助于推进个性化医疗、药物输送系统和芯片实验室设备的开发，以及增强细胞研究方法。

△Microlight3D自研的树脂材料

FEMTIKA
FEMTIKA 是多光子聚合和选择性激光蚀刻激光技术解决方案的提供商，公司还利用熔融石英玻璃生产微流体装置，用于许多科学应用包括生化研究。该公司的芯片实验室设备采用飞秒激光烧蚀和多光子聚合的混合制造方法制成，具有将玻璃和聚合物组件结合在一起的能力。例如，该公司生产用于新药开发和生产的微流控高分子分离器以及作为体外肝脏模型的肝芯片设备，这些设备可用于生物医学研究，形成复杂的细胞结构并操纵细胞间的相互作用。