2025-06-22 04:46来源:本站
以前的方法,例如自上而下的立体光刻35,它依赖于无约束的空气 - 液界面具有大规模运输和材料膜均匀性,并限制了吞吐量。尽管最小化流体路径长度可以减少这一点(补充图13、23和24),但这样做对可以打印的内容施加了显着的几何约束。为了进一步捕获倾斜的动力学,否则在实验中研究了挑战,我们模拟了与其他已建立的空气 - 液态形态相比,我们模拟了印刷行为(补充图22-24)。对于15毫米直径的打印头,与自上而下的立体光刻相比,在这些模拟中增加了结构直径(DS = 4–14 mm),倾斜的流速大约高于4(补充图25)。当进一步纳入声学调制时,流体速度大约增加×10。为了实际证明界面调制对大众传输的改进,我们打印了一系列包含几种独立流体途径的厚流体歧管(图4A -C和补充图28)。接下来,为了研究界面曲率对准确像素区域分数的影响,我们使用了一个小的10毫米直径打印头来制造HDDA中的一系列微晶格结构和支柱阵列。试图打印一个没有凸面切片的边缘超过边缘的结构,导致周围区域由于曲率引起的散热性和凸面 - 平面不匹配而被扭曲且粘附不良(图4D)。相反,通过使用凸面切片并匹配印刷场与准确面积分数所预测的视场,创建了一系列均匀的支柱,其特征范围约为30至100 µm(图4E)。
DIP进一步使一部分遮挡或完全不透明的材料制造结构。例如,由于其成分之间的折射率不匹配36,含有高细胞的水凝胶通常不透明。在体积打印中,光必须在体积中毫不动不见,因此基础材料和蜂窝材料之间匹配的索引至关重要33,37。尽管这可以部分克服计算37,但在我们的情况下,光传输仅限于空气 - 流动界面的薄区域,最大程度地减少了悬浮材料的散射和吸收效果。为了强调这一点,我们创建了一个非生殖器官能化藻酸钠,其中不透明度通过pH提高,直到它完全遮住了美国空军测试目标(图4F)。尽管这种材料完全不透明,但在33 s中制造了一个10毫米高的藻酸三尖瓣。使用微计算机断层扫描成像时,该阀具有300 µm厚的内部传单(图4G)。通过打印头几何形状的任意设计,可以实现几个打印接口的进一步控制,调制和空间分布。例如,我们建立了一个带有3×3个单个表面的打印头,并用它并并行制造字母“浸入”(图4H和补充视频5)。约束表面的有效幅度和频率(通过扩展为延长,流量曲线)也可以通过在打印头范围内进行仔细的设计,尺寸和孔的布置来调节。
到目前为止,我们已经展示了如何使用旅行毛细血管 - 重力波的产生来增加质量运输38。但是,通过在液态空气界面形成站立波,也可以在空间上进行悬浮材料。通过暂时停止当前层上方的打印过程,将界面缩回打印头内的界面并应用声激发,可以形成基础结构顶部表面的流体动力电位场。潜在的场会导致颗粒从高势能的高区域迁移。所产生的相互作用导致颗粒在淋巴结位置聚集(补充图26),这取决于常驻波39,40的频率和淋巴结位置。尽管先前已经实现了机械和流体动力学淋巴结模式为41,42,43,44,但这些方法固有地限制为二维或固定淋巴结位置45。但是,通过将声学图案与光基打印相结合,我们演示了模块化3D粒子排列的形成,这些粒子排列取决于各种频率和振幅组合(图4i)。由于这些图案最终与打印头形状结合在一起(我们使用的轴对称打印头来产生同心布置,因此可以通过调整打印头的横截面轮廓来增加模式复杂性。未来的实施可能利用这一优势优化的边界形状来产生所需的声场42,46。但是,将需要进一步的工作来理解和有效地预测与潜在拓扑结构的复杂流体动力相互作用。除了DIP的调制功能之外,可渗透的空气 - 液接口还允许固体零件穿越打印界面,从而使多物质或多组分结构的直接原位过度打印。为了说明这一点,我们首先打印了插座外壳,创建了一个球插座接头(图4J), 然后插入10毫米的球轴承,最后将插座盖和杆打印到球上,然后将其打印到球上。
为了调查我们的前提,即DIP为软材料提供了独特的优势(补充图14和27),我们试图评估其作为生物制造工具的潜力。与其他自由表接近35一样,光只能通过空气 - 液界面进入光聚合物35,与要求光的替代方法相比,光学特性和容器形状的构成较小,而替代方法需要部分1,22或完全9,14通过构建体积传输。但是,请注意,在我们的情况下,结构高度受到总容器体积与打印头流离体积的比率的限制,以避免插入过程中的材料溢出。因此,未来的实现可以使用流体路径在打印期间逐渐注入材料以减轻此限制。由于打印头可以在三个维度上自由移动,因此可以很容易地实现顺序制造(补充图16a)。此外,可以将各种材料密度合并为制造平台(补充图17)。这不仅允许在同一容器中打印几个结构,还允许在几卷中的结构原位生产(例如井板;补充视频4),每个结构都可以包含各种细胞类型,材料或几何形状。作为对该技术生成富含细胞的生物学相关构建体的生存能力的初步评估,我们使用人类胚胎肾脏293-F细胞以每毫升7.2×106细胞的密度直接在12韦尔板中以7.2×106细胞的密度打印了简化的肾脏形水凝胶结构(图4K)。24小时后通过荧光显微镜成像该构建体,这表明其较低的过程细胞毒性和高细胞活力(大约93%)(图4L和补充图18)。