基于物理信息引导热视频成像的挤出式生物打印原位过程监控

《Device》：In situ process monitoring of extrusion-based bioprinting via physics-informed thermal video imaging

　　

全局视角

三维生物打印为再生医学带来了变革性的前景，然而其在临床实践中的转化仍受到工艺可靠性的限制。生物墨水通常含有活细胞或珍贵的生物材料，打印失败将造成不可接受的浪费，使得试错优化方法并不切实际。确保沉积内容与设计方案逐层一致并在实时中匹配，是临床采用的前提条件。

本研究提出了一种无需染料或训练数据的监测框架，适用于组织工程中最常用的透明生物材料。通过将热成像与机器工具路径同步，该框架在预期沉积几何形状与观测到的沉积几何形状之间建立了直接联系，实现了具有空间可解释性的质量评估。该方法仅需少量无缺陷的参考打印件即可完成校准，使任何生物打印实验室均可采用。从长远来看，测量几何形状与打印路径位置之间的直接联系为具备实时检测与纠错能力的生物打印系统奠定了自然基础，推动该领域向可靠制造临床相关构建体的目标迈进。

要点

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红外热成像可在无需染料的情况下可视化透明生物墨水的沉积

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将机器意图与热成像帧同步可实现定向特征提取

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轨迹索引的功能曲线输入统计过程监测

摘要

在挤出式生物打印中，材料沉积缺乏时间分辨的监测仍是阻碍临床转化的关键瓶颈。常规光学监测往往无效，因为功能性生物墨水通常是透明的，且多层构建体在视觉上极为复杂。本研究提出了一种基于红外热视频成像的无标签、原位监测框架。该方法利用挤出丝状材料与基底之间的瞬态热对比，实现了在无需化学标记的情况下对透明生物材料形状不稳定的持续可视化。将机器工具路径的先验知识与热成像数据相结合，引导沿预期沉积路径提取丝状材料宽度和中心线测量值。这些轨迹索引的测量值被纳入基于曲线的统计过程监测框架中，以检测打印过程中及不同打印之间的几何偏差。通过将机器意图与时空分辨测量相联系，该框架实现了对沉积质量的定量评估，并为未来生物制造中的闭环过程控制奠定了基础。

图形摘要