用聲音打印？--聲學輔助3D打印研究進展
時間：2024-06-13 09:42 來源：EFL生物3D打印與生物制造 作者：admin 閱讀：次
自1989年Elrod等人將聲學和3D打印開創性結合以來，聲學輔助3D打印技術的概念開始誕生并不斷發展起來。相比于其他打印方法，基于聲學液滴噴射的無接觸液體處理方法在應用于生物樣本時能夠避免交叉污染。同時，這種打印方法可擺脫噴嘴的限制，不會出現噴嘴堵塞等問題。此外，超聲波駐波和基于聲學的生物打印還可應用于微流控技術，從而實現對粒子和細胞操控。聲學3D打印方法通過逐層打印來制造三維結構，在組織工程、再生醫學、藥理學研究和高通量篩選應用等領域具有廣泛的應用前景。為了方便大家進行相關內容的學習，EFL特意整理了聲學輔助3D打印相關的3篇綜述和6篇研究論文供大家參考學習。
1. Soft Matter：聲學液滴打印技術及系統綜述；2021.2.10
基于聲學液滴的打印方法具有提高精度和數據再現性、降低成本、實際操作時間和消除浪費等優點。聲學液滴打印（ADE）在合成生物學、基因分型、個性化醫學和下一代測序等應用中逐漸取代了傳統的抽吸和分配液體處理機器人。這篇綜述著重介紹了聲學液滴噴射系統的設置和各個部分的關鍵技術，包括聲液滴生成、流體井的優化設計、液滴聚并和功率控制。并討論了這些技術的優缺點，預測了聲液滴噴射技術的未來發展方向。
文章來源：https://doi.org/10.1039/D0SM02193H
2. Biomicrofluidics：聲表面波驅動液滴噴射技術在微流體中的應用；2020.12.09
聲表面波技術可以實現在微納尺度上對流體和粒子的強大控制和驅動能力，例如：細胞分選、微流體泵送、粒子的聚焦和分離以及液滴打印等方面。聲表面波技術驅動的液滴打印技術具有結構簡單、制造障礙小、尺寸緊湊、無接觸操作等優點。這篇綜述從聲表面波技術與流體的相互作用機理理論、聲表面波技術-微流體打印的實驗方法、相關參數對目標夾斷液滴的影響、個別結構的應用等方面回顧和重組了聲表面波技術-微流控打印技術數十年的歷史。最后，對現有文獻的研究成果進行了總結，并對聲表面波技術-微流體打印這一學科的未來發展方向進行了展望和評價。
文章來源：https://doi.org/10.1063/5.0014768
3. MRS advances：聲場輔助3D打印功能復合材料的最新進展；2021.06.22
這篇綜述詳細介紹了聲學聚焦與墨水直接寫入打印模式相結合以調節材料傳輸特性的相關文獻。同時對介紹了聲聚焦與擴散自組裝相結合案例及不同時間尺度上快速組裝和打印多尺度的膠體固體定向自組裝過程。對功能復合材料的聲場輔助印刷、擴散自組裝與聲場輔助打印的集成、擴展聲場輔助打印的理論模型進行了總結。
文章來源：https://doi.org/10.1557/s43580-021-00090-5
4. Small Methods（IF:15.367）：通過無噴嘴聲學液滴噴射進行多尺度生物3D打印；2021.05.04
研究背景：生物打印可制造出復雜的載細胞水凝膠結構在隨后的細胞培養過程中成熟為組織替代物。擠出式生物3D打印機中使用的噴嘴會限制打印分辨率，并且在噴嘴尺寸低于100 µm時會出現堵塞的狀況，噴嘴直徑的減小也會增加打印過程中的剪切應力，從而影響細胞活性。
研究內容及結果：介紹了一種基于聲學液滴噴射原理的新型生物3D打印方法，該方法打印過程中不使用噴嘴，從而最大限度地減少了臨界剪切應力。通過仿真結果可知，聲學液滴噴射過程中的最大剪切應力比150 µm直徑的噴嘴剪切應力低 2.7 倍，可打印毫米長度尺度范圍內的細胞簇及單個細胞尺寸的液滴。該方法可實現載細胞結構的精確3D構建，對干細胞形態、增殖或分化能力沒有負面影響。
文章來源：https://doi.org/10.1002/smtd.202000971
5. Science Advances（IF:14.957）：聲泳打印；2018.08.31
研究背景：基于液滴的打印方法廣泛用于生物3D打印的應用之中。然而，噴墨或電流體動力打印方法僅適用于具有低粘度或特定電磁特性的材料。聲泳力的產生與材料性能無關且尚未用于生物3D打印。
研究內容及結果：本文介紹了一種聲泳印刷方法，該方法能夠按需對各種軟材料進行圖案化，包括牛頓流體，其粘度跨越四個數量級和屈服應力流體。通過利用亞波長法布里-珀羅諧振器的聲學特性產生了一種精確的、高度局部化的聲泳力，該力可以超過重力兩個數量級，以用于打印微升到納升體積的液滴。聲泳印刷可以對食物、光學樹脂、液態金屬和載有細胞的生物基質進行圖案化。
文章來源：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.aat1659
6. Lab on a Chip（IF:7.517）：功能性腫瘤微環境的聲滴打印；2021.02.24
研究背景：功能性組織制造對于組織工程、再生醫學和生物學研究具有重要意義。然而，目前的 3D 生物打印技術難以將生物墨水（由細胞和材料組成）精確排列在高保真 3D 結構中，并難以打印出高濃度和高活力的多種類型的細胞，這使得細胞生長、相互作用和功能受到嚴重限制。
研究內容與結果：本文引入了聲學液滴打印方法來進行生物組織的3D 生物打印，通過聲學液滴打印方法構建了一個由腫瘤球體組成的腫瘤微環境，該球體被高濃度的癌癥相關成纖維細胞包圍。建立了由相互腫瘤細胞-成纖維細胞相互作用調節的動態腫瘤侵襲功能。本文驗證了聲學液滴打印具有無噴嘴、無接觸和低細胞損傷的優點，意味著聲學液滴生物打印方法可以創建更多功能的天然組織、類器官或疾病模型。
文章來源：https://doi.org/10.1039/D1LC00003A
7. Biofabrication（IF:11.061）：使用聲學技術捕獲細胞球體和類器官；2020.06.29
研究背景：基于細胞球體或類器官的生物制造技術在基礎研究和轉化生物醫學應用方面非常具有著發展前景，細胞球體和類器官的精確定位和排列對于重建組織工程和再生醫學的復雜組織結構至關重要。
研究內容與結果：提出了一種數字聲學方法靈活性操縱細胞球體和類器官。本文證明數字聲學技術可以精確控制球體細胞和類器官的相互作用，具有良好的生物相容性。數字聲學技術制造簡單，同時，數字聲學技術方法可以實現非接觸、無標簽和高度生物相容的方式精確操作和定位各種細胞球體或類器官。
文章來源：https://doi.org/10.1088/1758-5090/ab9582
8. Materials & Design：利用超聲引導自組裝和3D打印制造仿生柔性材料；2019.10.10
研究背景：近年來，制造具有分層微結構的工程材料如柔性生物傳感器、電極以及電導體在零件或組件中的集成被廣泛研究。目前使用的磁場結合立體光刻術、傳統鑄模鑄造和冷凍鑄造等方法對材料選擇、可能的材料幾何形狀和尺寸可擴展性具有嚴格的要求。
研究內容與結果：本文將超聲引導的自組裝與3D打印集成在一種稱為“超聲3D打印”的新制造工藝中，實現了具有模仿天然材料特性的工程材料的制造。該工藝允許3D打印原料由液體光聚合樹脂和分散的超細纖維組成，并能夠用排列整齊的碳超細纖維線制造材料。研究評估了超聲波工作頻率和打印速度對纖維對齊、對齊纖維相鄰線之間的距離以及由此產生的樣品電導率和機械性能的影響。結果表明，在考慮超聲波工作頻率和打印速度的因素時，材料樣本中的對齊纖維線在相鄰對齊纖維線之間的距離方面顯示出顯著差異。這種集成超聲的3D打印允許制造具有調整特定材料特性的集成子結構的材料。
文章來源：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108243
9. Journal of Manufacturing Processes：基于聲場輔助噴墨的碳纖維增強PDMS復合材料增材制造；2022.06.06
研究背景：聚二甲基硅氧烷（PDMS）由于其高生物相容性、良好的化學和熱穩定性以及優異的光學性能，在生物醫學、電氣、可穿戴設備和其他高科技行業的生產中得到了廣泛的認可。然而，PDMS較差的機械性能限制了其在低應力應用中的應用。
研究內容與結果：為了克服機械性差這一問題，添加了銑削碳纖維（CF）以使用基于噴墨的添加劑制造（AM）技術制造CF增強PDMS復合材料。為了減少內部缺陷，如空隙，并在CF增強PDMS復合材料中實現均勻的CF分布，將聲場引入基于噴墨的AM技術。實驗結果表明，添加聲場后的應用有利于減少缺陷和均勻CF在制造樣品中的分布。此外，與非聲場處理的樣品相比，使用聲場處理的樣品表現出更好的拉伸性能，尤其是伸長率和韌性，以及增強的動態機械性能（例如儲能模量）。
文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.05.059
1. Soft Matter：聲學液滴打印技術及系統綜述；2021.2.10
基于聲學液滴的打印方法具有提高精度和數據再現性、降低成本、實際操作時間和消除浪費等優點。聲學液滴打印（ADE）在合成生物學、基因分型、個性化醫學和下一代測序等應用中逐漸取代了傳統的抽吸和分配液體處理機器人。這篇綜述著重介紹了聲學液滴噴射系統的設置和各個部分的關鍵技術，包括聲液滴生成、流體井的優化設計、液滴聚并和功率控制。并討論了這些技術的優缺點，預測了聲液滴噴射技術的未來發展方向。
2. Biomicrofluidics：聲表面波驅動液滴噴射技術在微流體中的應用；2020.12.09
聲表面波技術可以實現在微納尺度上對流體和粒子的強大控制和驅動能力，例如：細胞分選、微流體泵送、粒子的聚焦和分離以及液滴打印等方面。聲表面波技術驅動的液滴打印技術具有結構簡單、制造障礙小、尺寸緊湊、無接觸操作等優點。這篇綜述從聲表面波技術與流體的相互作用機理理論、聲表面波技術-微流體打印的實驗方法、相關參數對目標夾斷液滴的影響、個別結構的應用等方面回顧和重組了聲表面波技術-微流控打印技術數十年的歷史。最后，對現有文獻的研究成果進行了總結，并對聲表面波技術-微流體打印這一學科的未來發展方向進行了展望和評價。
文章來源：https://doi.org/10.1063/5.0014768
3. MRS advances：聲場輔助3D打印功能復合材料的最新進展；2021.06.22
這篇綜述詳細介紹了聲學聚焦與墨水直接寫入打印模式相結合以調節材料傳輸特性的相關文獻。同時對介紹了聲聚焦與擴散自組裝相結合案例及不同時間尺度上快速組裝和打印多尺度的膠體固體定向自組裝過程。對功能復合材料的聲場輔助印刷、擴散自組裝與聲場輔助打印的集成、擴展聲場輔助打印的理論模型進行了總結。
文章來源：https://doi.org/10.1557/s43580-021-00090-5
4. Small Methods（IF:15.367）：通過無噴嘴聲學液滴噴射進行多尺度生物3D打印；2021.05.04
研究背景：生物打印可制造出復雜的載細胞水凝膠結構在隨后的細胞培養過程中成熟為組織替代物。擠出式生物3D打印機中使用的噴嘴會限制打印分辨率，并且在噴嘴尺寸低于100 µm時會出現堵塞的狀況，噴嘴直徑的減小也會增加打印過程中的剪切應力，從而影響細胞活性。
研究內容及結果：介紹了一種基于聲學液滴噴射原理的新型生物3D打印方法，該方法打印過程中不使用噴嘴，從而最大限度地減少了臨界剪切應力。通過仿真結果可知，聲學液滴噴射過程中的最大剪切應力比150 µm直徑的噴嘴剪切應力低 2.7 倍，可打印毫米長度尺度范圍內的細胞簇及單個細胞尺寸的液滴。該方法可實現載細胞結構的精確3D構建，對干細胞形態、增殖或分化能力沒有負面影響。
文章來源：https://doi.org/10.1002/smtd.202000971
5. Science Advances（IF:14.957）：聲泳打印；2018.08.31
研究背景：基于液滴的打印方法廣泛用于生物3D打印的應用之中。然而，噴墨或電流體動力打印方法僅適用于具有低粘度或特定電磁特性的材料。聲泳力的產生與材料性能無關且尚未用于生物3D打印。
研究內容及結果：本文介紹了一種聲泳印刷方法，該方法能夠按需對各種軟材料進行圖案化，包括牛頓流體，其粘度跨越四個數量級和屈服應力流體。通過利用亞波長法布里-珀羅諧振器的聲學特性產生了一種精確的、高度局部化的聲泳力，該力可以超過重力兩個數量級，以用于打印微升到納升體積的液滴。聲泳印刷可以對食物、光學樹脂、液態金屬和載有細胞的生物基質進行圖案化。
文章來源：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.aat1659
6. Lab on a Chip（IF:7.517）：功能性腫瘤微環境的聲滴打印；2021.02.24
研究背景：功能性組織制造對于組織工程、再生醫學和生物學研究具有重要意義。然而，目前的 3D 生物打印技術難以將生物墨水（由細胞和材料組成）精確排列在高保真 3D 結構中，并難以打印出高濃度和高活力的多種類型的細胞，這使得細胞生長、相互作用和功能受到嚴重限制。
研究內容與結果：本文引入了聲學液滴打印方法來進行生物組織的3D 生物打印，通過聲學液滴打印方法構建了一個由腫瘤球體組成的腫瘤微環境，該球體被高濃度的癌癥相關成纖維細胞包圍。建立了由相互腫瘤細胞-成纖維細胞相互作用調節的動態腫瘤侵襲功能。本文驗證了聲學液滴打印具有無噴嘴、無接觸和低細胞損傷的優點，意味著聲學液滴生物打印方法可以創建更多功能的天然組織、類器官或疾病模型。
7. Biofabrication（IF:11.061）：使用聲學技術捕獲細胞球體和類器官；2020.06.29
研究背景：基于細胞球體或類器官的生物制造技術在基礎研究和轉化生物醫學應用方面非常具有著發展前景，細胞球體和類器官的精確定位和排列對于重建組織工程和再生醫學的復雜組織結構至關重要。
研究內容與結果：提出了一種數字聲學方法靈活性操縱細胞球體和類器官。本文證明數字聲學技術可以精確控制球體細胞和類器官的相互作用，具有良好的生物相容性。數字聲學技術制造簡單，同時，數字聲學技術方法可以實現非接觸、無標簽和高度生物相容的方式精確操作和定位各種細胞球體或類器官。
文章來源：https://doi.org/10.1088/1758-5090/ab9582
8. Materials & Design：利用超聲引導自組裝和3D打印制造仿生柔性材料；2019.10.10
研究背景：近年來，制造具有分層微結構的工程材料如柔性生物傳感器、電極以及電導體在零件或組件中的集成被廣泛研究。目前使用的磁場結合立體光刻術、傳統鑄模鑄造和冷凍鑄造等方法對材料選擇、可能的材料幾何形狀和尺寸可擴展性具有嚴格的要求。
研究內容與結果：本文將超聲引導的自組裝與3D打印集成在一種稱為“超聲3D打印”的新制造工藝中，實現了具有模仿天然材料特性的工程材料的制造。該工藝允許3D打印原料由液體光聚合樹脂和分散的超細纖維組成，并能夠用排列整齊的碳超細纖維線制造材料。研究評估了超聲波工作頻率和打印速度對纖維對齊、對齊纖維相鄰線之間的距離以及由此產生的樣品電導率和機械性能的影響。結果表明，在考慮超聲波工作頻率和打印速度的因素時，材料樣本中的對齊纖維線在相鄰對齊纖維線之間的距離方面顯示出顯著差異。這種集成超聲的3D打印允許制造具有調整特定材料特性的集成子結構的材料。
文章來源：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108243
9. Journal of Manufacturing Processes：基于聲場輔助噴墨的碳纖維增強PDMS復合材料增材制造；2022.06.06
研究背景：聚二甲基硅氧烷（PDMS）由于其高生物相容性、良好的化學和熱穩定性以及優異的光學性能，在生物醫學、電氣、可穿戴設備和其他高科技行業的生產中得到了廣泛的認可。然而，PDMS較差的機械性能限制了其在低應力應用中的應用。
研究內容與結果：為了克服機械性差這一問題，添加了銑削碳纖維（CF）以使用基于噴墨的添加劑制造（AM）技術制造CF增強PDMS復合材料。為了減少內部缺陷，如空隙，并在CF增強PDMS復合材料中實現均勻的CF分布，將聲場引入基于噴墨的AM技術。實驗結果表明，添加聲場后的應用有利于減少缺陷和均勻CF在制造樣品中的分布。此外，與非聲場處理的樣品相比，使用聲場處理的樣品表現出更好的拉伸性能，尤其是伸長率和韌性，以及增強的動態機械性能（例如儲能模量）。
文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.05.059
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