《Chemosensors》：A Novel Non-Planar Bioprinting Methodology for Enhanced Surface Fidelity of the Cornea
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摘要：传统的角膜构建体三维生物打印依赖平面切片，这通常会导致显著的台阶效应和生理解剖曲率的丧失。曲线分层已成为解决这些局限性的有前景替代方案。本研究提出的方法基于非平面层集成，能确保更平滑的表面光洁度。通过顶点法线识别模型表面，并采用泊松方法进行重建。最后，应
摘要：传统的角膜构建体三维生物打印依赖平面切片，这通常会导致显著的台阶效应和生理解剖曲率的丧失。曲线分层已成为解决这些局限性的有前景替代方案。本研究提出的方法基于非平面层集成，能确保更平滑的表面光洁度。通过顶点法线识别模型表面，并采用泊松方法进行重建。最后，应用曲面参数化技术生成空间弯曲轨迹。为验证该算法，研究人员分别采用平面方法和提出的非平面方法打印了角膜构建体。对微型计算机断层扫描（micro-Computed Tomography，micro-CT）数据的定量评估显示，非平面方法实现了显著更高的形态保真度，成功复现了人类角膜预期的抛物线轮廓。此外，非平面构建体展现出足够的功能性能，以高光学透明度为特征。因此，采用所提出的新方法打印非平面层的可行性得以成功验证。进一步地，与传统平面方法的比较分析证实了该方法在角膜生物制造方面的潜力。
# 论文解读：一种新型非平面生物打印方法用于增强角膜表面保真度
## 研究背景与意义
角膜作为眼球前部透明凸面结构，其复杂解剖特征——包括特化的胶原纤维排列和分层细胞结构——对传统组织工程构成重大挑战。人类角膜呈非球面穹顶状，水平直径11-12 mm，垂直直径9-11 mm，中央厚度约535-560 μm，向周边逐渐增厚约100 μm。其前表面曲率半径约7.8 mm，后表面约6.5 mm，提供眼睛总屈光力的约三分之二。更重要的是，角膜光学功能依赖于极高的透明度：在450-600 nm波长范围内透光率达80-94%，长波长处可达98%。
在三维生物打印领域，数字光处理（Digital Light Processing，DLP）和挤出式生物打印是制造角膜构建体的主流方法。然而DLP存在光传播不可控、光吸收剂引入颜色降低透明度、材料浪费及光引发剂细胞毒性等问题。挤出式生物打印虽具适应性，但传统方法依赖于平面切片——将模型分割为一系列水平层——这会产生阶梯效应，其误差随层厚和局部坡度增大。对于角膜这类高曲率穹顶结构，平面切片导致显著的阶梯效应和生理解剖曲率丧失，甚至引起结构塌陷。尽管可通过增加层数减少阶梯效应，但会延长制造时间，且离散化本质无法完全消除高曲率表面的阶梯纹。
为克服这些局限，近年研究从平面切片转向曲率共形刀具路径生成。已有非平面路径方法包括变形-切片-逆变形、等温面、点云投影等，但这些方法多针对内部体积填充而非薄膜表面高精度需求，且缺乏针对眼组织曲线几何的专门框架。因此，本研究旨在开发并验证一种专门用于角膜生物制造的非平面轨迹生成方法，解决平面切片导致的表面保真度损失问题，并定量评估其形态保真度与光学透明度。论文发表在《Chemosensors》。
## 关键技术方法概述
本研究开发了一套五阶段算法流程：(1) 通过顶点法线识别模型表面几何（从STL格式三维模型中提取顶部表面候选点）；(2) 采用泊松表面重建方法（Poisson Surface Reconstruction）从离散点生成连续曲面；(3) 使用射线投射测试（raycasting test）对重建表面进行后处理，去除超出原始模型范围的点；(4) 通过曲面参数化（surface parametrization）将重建表面映射到二维平面，计算平面轨迹，再利用重心坐标（barycentric coordinates）将二维轨迹映射回三维空间，生成非平面曲线刀具路径；(5) 实验评估：使用BIO-X?挤出式生物打印机（CELLINK）和专利胶原基水凝胶生物墨水（AJL Ophthalmic S.A.专利号P202530162），在3D SLA打印支撑模具上打印角膜构建体。样本队列：共制备20个角膜构建体，其中10个采用传统平面方法，10个采用非平面方法。通过微型计算机断层扫描（micro-CT）获取高分辨率图像，重建三维网格后进行形态学分析。
## 研究结果
### 3.1 实验评估
研究对比了两种方法生成的轨迹。平面轨迹呈现明显的阶梯状离散层，偏离目标组织的平滑天然轮廓；非平面轨迹则生成两层沿z轴偏移的曲线层，顺应目标几何形状。算法效率方面，对含37,070个面的角膜几何（使用Intel Core i7-11800H, 2.30 GHz, 16 GB RAM笔记本电脑），数据处理和轨迹生成耗时约5分钟，且该计算仅发生在预处理阶段，生成G代码后可无限次批量制造。共生物打印20个角膜构建体（每组10个）。视觉观察显示，非平面构建体表现出更优的结构完整性，保持清晰的非球面穹顶形态，而平面样品出现塌陷。定性评估显示非平面角膜具有良好的光学透明度和清晰度（见图5D）。
### 3.2.1 透明度
光学透明度是评估生物打印角膜支架功能的关键指标。天然人类角膜在450-600 nm可见光谱内透光率80-94%，长波长处达98%。本研究中，平面构建体在450-600 nm范围内透光率87.74-92.12%，长波长最大93.72%；非平面构建体在450-600 nm范围内透光率78.57-86.37%，峰值89.24%。非平面构建体透光率略低，但仍在功能范围内（文献中最佳构建体在500 nm处透光率74.7±1.45%）。研究认为差异可能源于非平面方法采用两层曲线连续沉积，增加了材料密度和厚度，延长了光程导致内吸收和微折射增强；而平面方法轨迹更碎片化，材料密度和总厚度较低，但牺牲了表面平滑度。
### 3.2.2 形态保真度分析
**高度分析**：通过micro-CT扫描重建三维网格，生成高度图并测量顶端高度。计算机辅助设计（Computer-Aided Design，CAD）模型地面真值（Ground Truth，GT）高度为2430 μm。非平面方法的平均高度为2416±219 μm，偏差仅0.58%；平面方法的平均高度为1921±144 μm，系统性降低20.96%。独立双样本t检验显示p=0.00002（***），证明非平面方法在垂直保真度方面具有统计学显著优势。
**地形曲率剖面分析**：通过分析横截面曲率剖面评估形态完整性。非平面方法获得的曲率曲线与GT高度相似，曲线下面积（Area Under the Curve，AUC）保真度为77.24%，标准偏差窄，表明可重复性好；平面方法的AUC保真度降至60.17%，且曲率扁平，未能达到目标峰值，显示系统性结构塌陷。
## 讨论与结论
本研究成功开发并验证了一种新型非平面轨迹生成框架用于角膜生物制造。泊松网格重建与曲面参数化的结合，为将二维刀具路径模式映射到复杂三维曲线几何提供了稳健方法。该方法有效弥合了传统CAD切片与薄膜眼组织高精度需求之间的鸿沟。从制造角度，计算开销仅限于短暂的初始配置阶段，优化后的G代码可无限次批量制造支架，无需重复处理延迟。
定量分析证明非平面方法在维持解剖比例方面显著优于传统平面分层：非平面构建体顶端高度更接近目标，曲率轮廓相似，而平面样品高度损失明显。通过让挤出打印头跟随模型自然曲率，非平面方法最小化逐层沉积中的阶梯效应，实现更平滑表面光洁度和更稳定的穹顶，提示角膜支架机械稳定性改善。尽管非平面构建体的光透射值低于平面方法，但仍处于可接受功能范围，差异可归因于材料密度和沉积策略。
本研究系统性地报告了作为曲率函数的测量几何误差，填补了现有文献的重要空白。通过高分辨率扫描分析曲率变化及其对应的尺寸偏差，为数字设计与生物制造之间的桥梁提供了经验数据。此类测量为未来支架优化提供具体指导，有助于建立统一评估标准，促进跨研究有意义比较，加速三维打印角膜构建体的临床转化。
研究结论部分指出：未来工作应聚焦于平衡机械增强与光学透明度之间的权衡，同时探索生物打印多层结构（如上皮层和基质层）的潜力。对于基质生物制造，该方法与天然组织结构高度契合——文献强调前基质最外层100-120 μm由紧密交错的起伏胶原网络构成，维持角膜曲率。利用非平面轨迹可能复现这种弯曲宏观结构。非平面环境可为细胞组织提供更具生理代表性的结构，这可能关键性地影响空间细胞定位和天然细胞间相互作用，与平面同心打印形成对比——后者会留下高度限制性的接触引导轨迹（打印喷嘴留下的沟槽），物理上迫使包封细胞沿人工单向环形路径排列和迁移。通过最小化传统平面切片的阶梯缺陷，该方法产生连续平滑表面光洁度，旨在为均匀上皮细胞接种提供解剖代表性的基底膜层，同时通过减少潜在光散射实现足够的功能光学质量。
