商业数字光处理3D打印机在微结构组织培养设备大规模生产中的要求与评估

《Advanced Engineering Materials》：Requirements and Evaluation of Commercial Digital Light Processing 3D Printers for Upscaled Production of Microstructured Tissue Culture Devices

1. 数字光处理（DLP）3D打印技术制造微结构组织培养装置的打印极限评估及性能优化研究，提出量化打印性能的框架，分析不同打印机的结构精度、打印同质性和 squeeze-flow 电阻影响，为规模化生产提供数据支持。

　　随着生物医学和制药行业对体外细胞培养模型和微生理系统（MPS）的日益重视，微结构组织培养设备的制造技术正变得愈发关键。这类设备不仅能够提供与生物体内相似的微环境，还能有效支持药物研发、毒理学研究和疾病模型构建等应用。然而，目前这些设备尚未被广泛采用，主要受限于制造工艺的标准化程度以及对大规模生产的适应性。为解决这些问题，本研究聚焦于数字光处理（DLP）3D打印机的制造能力，提出了一套量化评估框架，以促进微结构组织培养设备的工业化生产。

DLP 3D打印技术作为高分辨率立体光刻法的一种主要实现方式，因其较高的设计自由度和自动化程度，成为制造复杂微结构的有力工具。然而，该技术在工业规模应用时仍面临诸多挑战，包括如何在大范围内保持微结构的精确复制、如何处理树脂在打印过程中可能出现的流体动力学问题，以及如何在不同打印机之间建立统一的性能评估标准。因此，本研究通过设计特定的“应力测试”模型，对多种DLP打印机的性能进行了系统性评估，并揭示了影响打印质量的关键因素。

该应力测试模型包括微柱、微井和回字形结构等典型微结构，这些结构在组织培养设备中非常常见。通过光学显微镜和光学相干断层扫描（OCT）等方法，研究人员对打印结果进行了详细分析，量化了局部尺寸精度和全局打印一致性。研究发现，当特征尺寸超过某个临界值时，打印质量在打印区域内趋于一致，而低于该值时则会出现显著的结构偏差。这一临界尺寸被称为“打印可行性极限”，它描述了在特定微结构条件下，打印机能否稳定地完成打印任务。通过将这一指标与不同打印条件进行关联，可以更有效地指导打印机的选择和优化。

从打印过程来看，DLP技术依赖于树脂在光照射下的固化，而光的分辨率、树脂的流动性以及打印系统的光学配置对最终的结构精度具有决定性影响。例如，DMD（数字微镜设备）作为DLP打印机的核心组件，其像素数量直接影响打印的最小特征尺寸。当前市场上的DMD设备通常具有约400万像素，而新推出的DLP991u设备则拥有约900万像素，理论上可以提供更高的分辨率。然而，即使在高分辨率条件下，打印的精度也受到多种因素的限制，包括树脂的流动性、层厚设置以及打印过程中可能出现的“挤流阻力”。这些因素不仅影响微结构的完整性，还可能改变打印的均匀性。

此外，研究还探讨了不同打印机在打印过程中表现出的差异。例如，打印机A虽然具有较小的原生像素尺寸（10 μm），能够实现更精细的结构，但其打印时间较长（约4小时），这在工业生产中可能成为效率的瓶颈。相比之下，打印机E虽然原生像素尺寸较大（45 μm），但其打印区域覆盖了标准微孔板的尺寸（106 × 70 mm2），这使其在大规模生产中具有显著优势。打印机D和E在结构细节方面表现较为相似，但打印机D的打印区域较小，导致其在整体性能上略逊于打印机E。同时，打印机B在结构深度和均匀性方面表现不佳，主要归因于其在挤流过程中的高阻力，这可能影响微井的完整打印。

在评估打印质量时，研究采用了多种方法，包括对打印结构的尺寸分布进行统计分析，以及对打印均匀性进行可视化展示。例如，通过热图形式呈现不同打印机在打印区域内的结构尺寸变化情况，能够直观地反映出打印质量的不均匀性。结果显示，当特征尺寸超过某个临界值时，打印结构的尺寸趋于一致，而低于该值时则出现明显的偏差。这种现象说明了打印可行性极限的重要性，即在选择打印机时，需要结合目标结构的尺寸和实际打印能力，以确保最终产品符合设计要求。

值得注意的是，尽管DLP技术在打印精度方面表现出色，但其在处理复杂几何结构时仍面临一定挑战。例如，微柱和微井的结构在打印过程中可能因树脂流动受限而出现偏差，尤其是当结构设计包含急剧变化的横截面时，这种问题更加突出。因此，研究建议在设计阶段充分考虑这些因素，并通过优化打印参数（如层厚、曝光时间、像素灰度等）来提高打印质量。同时，通过使用抗混叠技术（如灰度曝光和像素偏移），可以进一步改善打印结构的平滑度和细节表现。

从经济角度考虑，打印成本和生产效率是决定DLP技术能否在工业中大规模应用的关键因素。研究指出，不同打印机在这些方面存在显著差异。例如，打印机B虽然在某些方面表现优异，但由于其较小的打印区域和较高的挤流阻力，整体成本和效率可能不如其他系统。而打印机E虽然在打印可行性极限和结构精度方面略逊于打印机A，但其较大的打印区域使其在大规模生产中更具优势。因此，打印机的选择需要综合考虑多个性能指标，包括打印可行性极限、结构精度、打印均匀性、挤流影响以及成本。

本研究的结论表明，打印机A和E是目前最有可能用于组织培养设备大规模生产的候选系统，但最佳选择仍取决于具体的应用需求和目标结构的尺寸。对于需要高精度和高分辨率的微结构，打印机A可能是更优的选择，而对需要较大打印区域和成本控制的场景，打印机E则更具优势。此外，研究还强调了在工业应用中建立统一的打印标准的重要性，这不仅有助于提高打印一致性，还能减少因不同设备性能差异带来的不确定性。

最后，研究提出了一套适用于DLP打印机的性能评估框架，该框架结合了多个量化指标，包括打印可行性极限、结构精度、打印均匀性以及挤流影响等。这些指标能够为研究人员和工业界提供有价值的参考，帮助他们在不同应用场景中选择最适合的打印机。同时，研究还指出，未来在微结构打印领域，随着新型打印技术（如体积打印）的发展，这些评估方法同样可以应用于其他技术，以促进整个生物制造领域的标准化和规模化发展。