自适应环境感知的体积打印技术GRACE：革新生物制造与组织工程的新范式

研究人员针对传统3D打印无法动态响应打印环境的问题，开发出GRACE（Generative, Adaptive, Context-Aware 3D Printing）系统。通过整合光片显微成像、计算机视觉和参数化建模，实现了对细胞/宏观尺度特征的自动识别与自适应打印。该系统在生物打印中成功构建了靶向血管网络（直径450±20 μm），使胰岛β细胞胰岛素分泌量提升2.3倍，并实现多组织结构的自动对齐打印（如骨-软骨模型），为组织工程和再生医学提供了革命性解决方案。

　　

在生物制造领域，传统3D打印技术长期面临"盲打"困境——打印机如同执行固定乐谱的乐器，对打印环境中细胞分布、材料特性等关键信息毫无感知。这种局限性严重制约了复杂生物组织的构建，特别是在需要精确调控细胞微环境（如血管化组织）的应用中。现有技术虽能打印预设结构，却无法像自然界中血管网络那样，根据细胞需求动态调整生长路径。这种"设计-打印"的割裂模式，使得制造具有生物功能的组织结构成为巨大挑战。

为解决这一瓶颈，由Sammy Florczak和Riccardo Levato等学者组成的国际团队在《Nature》发表突破性研究，开发出GRACE（Generative, Adaptive, Context-Aware 3D Printing）系统。这项技术首次将体积打印（volumetric printing）与实时环境感知相结合，使3D打印机获得"眼睛"和"大脑"，能自动识别打印环境中的生物/非生物特征，并在数分钟内生成适配的复杂结构。研究团队通过光片显微镜（light-sheet microscopy）快速扫描打印体积，采用DBSCAN（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise）算法进行特征聚类，结合参数化建模（parametric modelling）实时生成靶向结构，最终通过断层体积打印（tomographic volumetric printing）实现精准制造。

关键技术方法包括：1）集成光片显微镜与体积打印系统，实现打印体积的3D图谱构建；2）开发特征识别算法处理细胞簇/器官样体（organoids）的空间分布；3）建立参数化模型库生成血管网络等生物结构；4）应用OSMO（Object-Space Model Optimization）算法校正阴影伪影；5）结合嵌入式挤出打印（EmVP）和FLight（Filamented Light）生物制造技术验证多模式兼容性。实验使用人骨髓间充质干细胞（MSCs）和关节软骨祖细胞（ACPCs）构建骨-软骨模型，采用胰岛素分泌细胞（iβ-cells）评估血管网络功能。

GRACE实现环境感知打印

研究团队通过整合数字微镜器件（DMD）和外部激光光源，构建双模式光片成像系统。以150-900 μm藻酸盐微球模拟器官样体，系统在4分钟内完成扫描-建模-打印全流程，生成的血管网络（直径450±20 μm）能精确包裹目标微球，间距控制达300 μm。实验证明，该系统可基于尺寸（r<0.5 mm vs ≥0.5 mm）或荧光标记（Cy3.5 vs Cy5）对特征进行参数化区分，为异质组织的精准构建奠定基础。

阴影校正与自动对齐

针对体积打印中的光遮挡难题，研究团队创新性地将光片作为轮廓仪使用。通过OSMO算法优化断层重建，在存在10根不透明立柱遮挡时，打印质量显著提升：Bhattacharyya系数从0.39降至0.15，Jaccard相似指数从0.70升至0.945。在更复杂的"笼中球"模型中，校正后打印件的表面均方根误差降低64%（0.50→0.18 μm），球度提高16%（0.830→0.965）。自动对齐功能则通过迭代最近点（ICP）算法实现，使软骨模型能精确匹配随机放置的股骨模型，定位误差<5 μm。

生物打印应用验证

在功能性验证中，GRACE构建的靶向血管网络使iβ细胞的胰岛素分泌量达3.2×10⁵ RLU（相对光单位），较随机通道设计（2.0×10⁵ RLU）和空白对照（1.4×10⁵ RLU）分别提高60%和129%。通过自动对齐技术打印的骨-软骨复合体在4周培养后，von Kossa染色显示矿化骨基质，SafO染色证实软骨糖胺聚糖沉积。结合FLight技术，系统还能对不同荧光标记的MSC球体（spheroids）进行空间特异性封装，形成长达厘米级的定向纤维结构。

这项研究突破了传统增材制造"设计-打印"的线性范式，建立了"感知-决策-打印"的闭环工作流。GRACE技术的创新性体现在三个维度：空间上实现从细胞簇（10² μm）到器官尺度（10¹ mm）的跨尺度适配；时间上将环境感知-建模-打印流程缩短至分钟级；功能上兼容GELMA（gelatin methacryloyl）、藻酸盐等多种生物墨水。该技术为血管化组织、机械关节等复杂结构的构建提供了通用平台，其自动对齐功能更开启了多材料、多组织同步制造的新可能。未来通过与自组装材料、动态交联技术结合，GRACE有望实现从宏观结构到纳米级细胞微环境的全尺度调控，推动再生医学向仿生制造迈进。