Nature：烏得勒支大學(xué)提出GRACE 3D打印新方法，有望實(shí)現(xiàn)3D打印范式轉(zhuǎn)變

2025年9月4日，南極熊獲悉，荷蘭烏得勒支大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種名為GRACE（Generative, Adaptive, Context-Aware 3D Printing）的創(chuàng)新3D打印方法。該方法結(jié)合3D成像、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和參數(shù)建模，能夠自動(dòng)生成適應(yīng)性幾何結(jié)構(gòu)，直接圍繞從細(xì)胞到宏觀(guān)尺度的特征進(jìn)行打印。該技術(shù)在生物制造等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛應(yīng)用潛力，例如創(chuàng)建適應(yīng)血管狀幾何形狀圍繞細(xì)胞負(fù)載的生物墨水，提高生物打印的功能性，標(biāo)志著3D打印從被動(dòng)執(zhí)行向智能適應(yīng)的重大轉(zhuǎn)變。研究成果發(fā)表于《自然》雜志，題為"Adaptive and context-aware volumetric printing"。


論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09474-1
研究背景



傳統(tǒng)3D打印技術(shù)已有40多年的歷史，主要依賴(lài)用戶(hù)通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件定義幾何形狀，然后由打印機(jī)逐層構(gòu)建。盡管在醫(yī)療器械、微流控、生物工程組織以及汽車(chē)和航空領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，但現(xiàn)有打印機(jī)本質(zhì)上是被動(dòng)工具，對(duì)打印環(huán)境（如材料組成和內(nèi)部特征）缺乏感知。這限制了其在復(fù)雜應(yīng)用中的潛力，例如軟體機(jī)器人、分級(jí)復(fù)合材料和活細(xì)胞生物打印，其中組件的相對(duì)位置和架構(gòu)至關(guān)重要。

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)、人工智能和體積打印技術(shù)的進(jìn)步為創(chuàng)新提供了基礎(chǔ)。體積打印使用可見(jiàn)光場(chǎng)聚合光敏樹(shù)脂，實(shí)現(xiàn)無(wú)層快速生產(chǎn)，并擅長(zhǎng)“過(guò)打印”（overprinting），即非侵入性地打印在現(xiàn)有物體上，甚至包括脆弱的活細(xì)胞和類(lèi)器官。這為開(kāi)發(fā)智能打印提供了理想平臺(tái)。



方法原理

GRACE方法將體積打印與光片顯微成像相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)快速3D映射打印體積，提取位置、形態(tài)和光譜信息。這些數(shù)據(jù)輸入多參數(shù)建模算法，自動(dòng)生成針對(duì)性幾何形狀。關(guān)鍵組件和流程包括：

● 實(shí)驗(yàn)裝置：自定義體積打印機(jī)和光片顯微路徑。光片通過(guò)數(shù)字微鏡裝置（DMD）或外部激光源生成，捕獲熒光信號(hào)。
● 工作流程：同步運(yùn)動(dòng)硬件、成像和打印系統(tǒng)。光片掃描產(chǎn)生極坐標(biāo)截面，轉(zhuǎn)換為3D點(diǎn)云。使用密度基聚類(lèi)（DBSCAN）檢測(cè)簇，提取中心坐標(biāo)。
● 參數(shù)建模：使用Rhino3D和Grasshopper軟件，根據(jù)掃描數(shù)據(jù)生成自適應(yīng)模型，如血管狀通道網(wǎng)絡(luò)或互連幾何。
● 陰影校正：使用光片作為輪廓儀映射不透明表面，通過(guò)物體空間模型優(yōu)化（OSMO）算法校正投影，減少遮擋偽影。

該方法兼容多種打印模式，如嵌入式擠出體積打?。‥mVP）和纖維光（FLight）生物制造。



實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究展示了GRACE在多種應(yīng)用中的多功能性：

● 上下文驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)：使用熒光染色的藻酸鹽微球作為測(cè)試平臺(tái)，在GelMA樹(shù)脂中生成血管狀通道網(wǎng)絡(luò)（直徑450±20μm），精確圍繞微球偏移300μm。實(shí)現(xiàn)了互連、封裝和基于尺寸/光譜的條件幾何區(qū)分。整個(gè)過(guò)程在約4分鐘內(nèi)完成（每光譜通道）。
● 自動(dòng)對(duì)齊順序打?。和ㄟ^(guò)迭代最近點(diǎn)（ICP）算法，自動(dòng)對(duì)齊先前打印的人股骨模型與軟骨層，構(gòu)建多組件結(jié)構(gòu)。高重復(fù)性，計(jì)算時(shí)間<5秒。
● 陰影校正：映射不透明特征，優(yōu)化投影以提高打印質(zhì)量。在柱狀遮擋實(shí)驗(yàn)中，校正后對(duì)比度改善（Bhattacharyya系數(shù)從0.39降至0.15），相似性指數(shù)從0.70升至0.945。在球籠模型中，表面均方根誤差從0.50μm降至0.18μm，球度從0.830升至0.965。
● 適應(yīng)血管網(wǎng)絡(luò)：圍繞胰島細(xì)胞（iβ-cells）負(fù)載的環(huán)形結(jié)構(gòu)生成優(yōu)化通道，提高前胰島素分泌（3.2×10^5相對(duì)光單位 vs. 隨機(jī)通道的2.0×10^5和無(wú)通道的1.4×10^5）。
● 多組織模型：順序打印MSC負(fù)載的股骨和ACPC負(fù)載的軟骨，形成骨軟骨架構(gòu)。細(xì)胞在4周內(nèi)保持功能，合成礦化骨基質(zhì)和富含糖胺聚糖的軟骨。
● 與FLight結(jié)合：圍繞不同染色MSC球體生成獨(dú)特形狀（星形或圓形），形成厘米級(jí)對(duì)齊微絲。



未來(lái)展望

GRACE代表了3D打印范式的轉(zhuǎn)變，使打印機(jī)能夠感知并響應(yīng)上下文線(xiàn)索，自動(dòng)化過(guò)打印并適應(yīng)打印材料內(nèi)容。這在生物制造中尤為重要，可創(chuàng)建仿生支架適應(yīng)細(xì)胞或類(lèi)器官分布，促進(jìn)組織成熟和個(gè)性化醫(yī)學(xué)模型。未來(lái)方向包括擴(kuò)展到其他打印技術(shù)（如xolography、多光子打印或聲基打印），整合替代成像模式（如光學(xué)層析或全息方法），并擴(kuò)展到全組織尺度。通過(guò)移動(dòng)容器和散射緩解技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)更大體積的成像和打印。與自組裝材料的結(jié)合可進(jìn)一步模擬活組織的層次結(jié)構(gòu)。該技術(shù)還可應(yīng)用于軟體機(jī)器人、聚合物皮膚精確控制和生物分子空間選擇性移植，推動(dòng)再生醫(yī)學(xué)和增材制造的創(chuàng)新。盡管當(dāng)前局限于厘米級(jí)體積，但GRACE為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)制造開(kāi)辟了新途徑。