2024年4月4日，中國科學院深圳先進技術研究院醫(yī)藥所退行性中心阮長順團隊在Nature Communications在線發(fā)表題為“Gradient matters via filament diameter-adjustable 3D printing”的研究性工作。該研究通過定制3D打印運動軌跡上的打印速度和打印高度，實現(xiàn)擠出3D打印纖維直徑的精準控制，革新均勻纖維堆積的傳統(tǒng)模式，實現(xiàn)梯度多孔結構的精準制造，為異質(zhì)器官仿生構建提供新策略。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47360-y

擠出式3D打印為最常見的3D打印技術，具有高適用性，廣泛應用于類器官體外制造與組織工程等前沿領域。然而，傳統(tǒng)擠出3D打印采用平行切片方法，其在層內(nèi)打印時保持恒定的打印速度V和打印高度H，沉積形成的纖維直徑也保持恒定，嚴重限制了其設計制造復雜梯度多孔結構（如圖1a,b）。為了突破傳統(tǒng)3D打印策略的限制，研究團隊基于體積守恒定律，通過定制運動軌跡上的打印速度和打印高度，實現(xiàn)各處纖維直徑的精準控制，提出FDA-3DP（filament diameter-adjustable 3D printing）新策略（如圖1c,d）。

圖1. 傳統(tǒng)3D打印策略vs. FDA-3DP（filament diameter-adjustable 3D printing）新策略。

為了證明該策略的有效性，研究團隊在10mm尺寸的立方體內(nèi)設計制造了水平梯度多孔結構（如圖2）。通過將打印軌跡與目標梯度相融合實現(xiàn)可控直徑纖維的單層定制，并為了避免潛在的局部塌陷，提出固定直徑纖維補償機制（如圖2f-i）。進而搭建“設計-制造”工作流程，重寫制造代碼G-codes，實現(xiàn)梯度多孔結構的擠出3D打印制造。Micro-CT重建數(shù)據(jù)證明通過該策略制造的水平梯度多孔結構與設計梯度模型的孔尺寸分布存在一致性（如圖1d-iv）。

圖2. FDA-3DP新策略設計和制造梯度多孔結構。

我們提出的FDA-3DP新策略突破了傳統(tǒng)擠出3D打印技術難以加工復雜梯度多孔結構的難題，在組織工程與器官體外仿生制造（如骨、軟骨、血管）、4D打印等應用場景進行了驗證（如圖3），有望為器官仿生構建提供新策略。

圖3. FDA-3DP應用探索。

中國科學院深圳先進技術研究院阮長順研究員和哈爾濱工業(yè)大學韓振宇教授為論文共同通訊作者，課題組屈華偉博士后/助理研究員為論文第一作者，中國科學院深圳先進技術研究院潘浩波研究員、呂維加研究員和劉志遠研究員對文章工作中做出重要貢獻，課題組劉開政副研究員和高崇健碩士參與論文部分研究工作。該研究獲得國家自然科學基金委優(yōu)青及面上項目、中國科學院青年創(chuàng)新促進委員會優(yōu)秀會員、博士后面上項目等多個基金的支持。