生物3D打印，最新Nature！

摘要：近年来，3D打印技术在医疗设备、生物工程组织及软机器人等领域扮演着关键角色，然而传统打印流程仍依赖于用户预先通过CAD软件定义模型，打印机本身无法感知打印环境中的材料组成与结构特征。尤其是在生物打印中，细胞往往随机分布，难以实现如血管网络般精准适配的复杂结构，

近年来，3D打印技术在医疗设备、生物工程组织及软机器人等领域扮演着关键角色，然而传统打印流程仍依赖于用户预先通过CAD软件定义模型，打印机本身无法感知打印环境中的材料组成与结构特征。尤其是在生物打印中，细胞往往随机分布，难以实现如血管网络般精准适配的复杂结构，限制了功能化组织的构建。尽管嵌入式传感器和反馈控制有所进展，打印机对上下文的响应能力仍处于初步阶段。

荷兰乌得勒支大学Riccardo Levato研究团队提出一项名为GRACE（Generative, Adaptive, Context-Aware 3D Printing）的新型打印技术，该技术结合三维成像、计算机视觉和参数化建模，能够在体积打印中实时生成适应周围环境的复杂几何结构。GRACE无需人工干预，即可围绕从细胞到宏观尺度的特征进行打印，显著提升了打印物件的功能性和结构精度。该技术还支持多材料打印、自动对齐及阴影校正，为组织工程和再生医学开辟了新途径。相关论文以“Adaptive and context-aware volumetric printing ”为题，发表在Nature上。

研究人员通过集成光片显微镜与体积打印系统，实现了对打印体积内嵌特征的快速三维成像与识别。光片可在多个角度下采集荧光信号，经算法处理后生成点云数据，进而通过聚类分析（如DBSCAN算法）精确定位细胞团、微粒或类器官的位置。基于这些数据，参数化建模软件自动生成环绕特征的复杂结构，如仿血管通道网络、连接支架或封装外壳，整个过程仅需数分钟。

图1展示了GRACE打印系统的实验装置示意图，包括光片成像（绿色光路）、打印光源（紫色光路）以及图像采集模块。所有光路交汇于一个装满光敏树脂的打印瓶，瓶体置于折射率匹配液中对齐，以最大限度减少成像和打印过程中的光学畸变。

图1：实验性GRACE打印装置示意图光路包括光片（绿色）、成像与打印（紫色）路径。打印光路含405 nm激光源、DMD芯片和中继光学系统；光片光路含三种波长激光源、鲍威尔透镜和柱面镜。成像部分通过CMOS传感器捕捉荧光信号。打印瓶置于折射率匹配的立方池中以减少光学误差。

图2体现了GRACE在生成复杂结构方面的多种能力。研究人员使用荧光标记的海藻酸微球模拟细胞团或类器官，在GelMA水凝胶中成功打印出围绕微球的球形缠绕通道网络（图2a）、连接多个微球的支撑结构（图2b）以及对单个特征的精准封装（图2c）。此外，系统还能根据微球尺寸（图2d）或荧光信号（图2e）区分不同群体并生成不同的几何形态，例如为较小微球生成单一通道，为较大或特定荧光标记的微球生成复杂网络。图2f展示了GRACE在自动对齐序列打印方面的应用：通过迭代最近点算法（ICP），系统能够将软骨模型精准对接到已打印的股骨头表面，实现多组分构造的高重复性打印。

图2：GRACE打印生成适应性与特征驱动的复杂几何结构 a, 围绕海藻酸微球生成的球形缠绕通道网络；b, 连接多个微球的打印支撑结构；c, 对单个微球的封装；d, 按尺寸区分的通道生成；e, 按荧光信号区分的不同几何形态；f, 自动对齐序列打印示例，将软骨模型对齐至股骨头。

面对打印过程中不透明结构造成的阴影干扰，GRACE通过光片表面映射与物体空间模型优化（OSMO）技术实现阴影校正。图3a–h展示了该过程：光片被用作轮廓仪，通过反射信号重建遮挡结构表面（图3a），再通过OSMO优化重建结果（图3b）。研究人员使用十根立柱作为遮挡模型（图3c），在打印齿轮结构时，校正后的样品显示出更均匀的交联行为和更清晰的细节（图3d）。在更复杂的“笼中球”模型中（图3e），校正后打印的球体表面误差显著降低，球形度明显提高（图3f–h），证明该方法适用于复杂连续遮挡情况下的高精度打印。

图3：光片映射遮挡结构及阴影校正 a, 扫描、映射与校正流程图；b, 使用OSMO进行阴影校正前后的齿轮重建对比；c, 立体光刻打印的立柱遮挡模型与目标齿轮几何；d, 校正与未校正打印的三维重建与光片截面；e, 笼中球模型渲染；f, 打印后的球体重建；g, 表面均方根误差；h, 球形度统计。

在生物打印应用中，GRACE展现出优越的性能。图4a–d展示了围绕富含胰岛素分泌细胞（iβ-cells）的环状结构打印自适应血管网络：与随机通道或无通道的对照组相比，GRACE打印的样本在动态培养后显示出更高的胰岛素分泌量，表明其具有更优的物质传输能力。图4e–f则展示了自动对齐打印的骨-软骨多组织构造：细胞在4周培养后仍保持活性并分泌特异性基质，组织学分析显示明显的矿化骨区和软骨区。此外，结合Flight打印技术，GRACE还能区分不同荧光标记的细胞球团并将其封装于星形或圆形纤维结构中（图4g–j），显示出其对多种打印模式的兼容性与适应性。

图4：GRACE实现细胞位置驱动的功能性活体组织生物打印 a, 实验流程：扫描环状结构、生成模型并打印支架；b-c, 针对性与随机通道结构的三维重建与光片截面；d, iβ-cells胰岛素释放量对比；e, 股骨-软骨构造的光片截面；f, 组织学切片显示矿化骨与软骨区域；g, Flight打印结构模型；h, 打印后的三维重建；i, 围绕球团的纤维结构；j, 荧光叠加图像显示球团在星形/圆形结构中的精准定位。

GRACE技术通过集成光片成像、计算机视觉与参数化建模，实现了对打印体积内特征的实时感知与自适应制造，极大提升了打印的自动化程度与功能复杂性。该工作流不仅适用于生物打印领域，还可推广至其他打印方式如Xolography、声学打印等，为软机器人、多材料制造和再生医学提供了全新平台。未来，通过结合更大范围的成像与打印系统、开发抗散射技术以及与自组装材料融合，GRACE有望进一步逼近人体组织的多级复杂性，实现从宏观到纳米尺度的精准制造。