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从坚硬的骨骼到柔软的脂肪，从微细的毛细血管到整个大脑，我们的细胞形成多种组织类型的能力是组织工程学中最引人入胜ZJ挑战性的方面。为了重现人体的复杂性，组织工程师将不得不利用各种3D生物打印技术来替代当前的“一刀切”解决方案。这篇文章解释了CELLINK提供的两种台式三维（3D）生物打印解决方案的优缺点-挤出型生物打印机BIO X™和INKREDIBLE™，以及轻型DLP光固化生物3D打印机Lumen X™（由Volumetric技术驱动），特别是比较每种材料的力学、分辨率、几何形状和材料兼容性。

打印机制

两种生物打印技术均始于计算机辅助设计（CAD）文件，该文件被切成离散的水平层，然后由打印机进行构建和堆叠以生成3D构造。不同之处在于每种方法如何处理这些层次。

对于基于压力挤出式的生物打印，更常见的技术是将糊剂或液体装入安装在龙门架或机械臂上的墨盒中，该墨盒沿打印床或表面上方的笛卡尔坐标移动，从而在其上进行打印。机械力通常是气压或电机驱动的活塞，将材料推过喷嘴以形成细丝。通过在表面上拖动细丝，龙门架跟踪DY层的轮廓。然后按照用户的要求，门架继续以填充图案逐层沉积细丝，以建立孔隙率和机械强度，直到完成打印为止。

基于数字光处理的立体平版印刷术（基于DLP的SLA）也是逐层过程，但是代替通过喷嘴挤出材料，照明源与电影放映机不同，它使用静止图像处理每一层。将此图像投影到光敏液体的浴液或液滴中会刺激化学反应，从而导致液体仅在照明时固化或固化。将这些固化层堆叠在构建平台上可产生打印对象。

解析度

在讨论打印技术时，通常将分辨率或最小的理论上可打印的细节进行比较，这由许多因素（例如材料和几何形状）决定，而这些因素不在本文的讨论范围之内。我们的比较集中于沿X和Y轴的平面分辨率。在基于挤出的生物打印中，喷嘴的直径决定了可以挤出的长丝的直径。在基于DLP的SLA中，投影像素的大小定义了可以固化的最小光点。该光点通常小于大多数挤出喷嘴直径，并且化学反应更加一致，从而使基于DLP的SLA印刷技术能够以比挤出生物印刷更高的分辨率产生更小，更复杂的物体。细丝离开挤压式生物打印机的喷嘴后，除了重力和摩擦力之外，没有任何东西可以控制细丝的放置和散布方式，从而导致沿细丝边界的某些变化。即使使用与基于DLP的投影机的最小光点大小相同的灯丝，在这种可变分布的情况下，挤出的印刷品看起来也会比SLA印刷的结构粗糙。

微流体应用

由于挤出的印刷品基本上是圆柱状的堆积物，例如舱室原木，因此长丝之间的接触面积很小。当这些堆叠的圆柱体本身以类似于血管的管状形式布置时，小的接触面积使得难以确保该管是水密的并且足够坚固以承受流经其的流体的压力。另一方面，基于DLP的SLA则将印刷材料的薄片夹在中间，基本上从一边到另一边都是粘在一起的，从而产生明显更坚固，不透水的结构。基于DLP的SLA具有更坚固的管子和更光滑的侧面，非常适合生物打印芯片实验室微流体设备，尤其是那些具有复杂网络的设备或需要在显微镜下成像且无畸变的设备。基于DLP的SLA在打印复杂的负面特征（如网络）时的优势也有助于其打印复杂的正面特征（如网格）的能力。

控制孔隙率

组织工程支架需要在各个维度上均具有特定的孔隙率和形状，以匹配天然组织并允许细胞存活，但是挤出生物打印机仅在填充线之间的负空间内即可形成孔隙率。如图1所示，使用挤压打印机打印立方体时，用户可以选择一定百分比的六边形填充物，然后机器将在立方体内打印垂直对齐的六边形。

图1. 立方体的挤压3D打印。 A）立方体的CAD模型，B）显示周长（黄色）和填充（红色）路径的切片图像，C）挤压的立方体。

挤出切片机着眼于对象的外部边界时，基于DLP的SLA切片机以100％填充的方式在单个图像中捕获层的整个平面，因此必须在原始模型中创建所需的任何孔隙率。 尽管这可能会带来前期的复杂性，但许多CAD套件仍可以将格子图案应用于对象，例如图2中的立方体。

图2. 基于DLP的多维数据集的3D打印。 A）具有螺旋状结构的立方体的CAD模型，B）将被投影到感光材料上的切片的图像，C）印刷的螺旋状立方体（右）。

组织（如骨骼）在三个维度上具有孔隙和几何形状，因此能够生成并打印重复的晶格或随机3D结构将产生更好地模仿生理组织的支架。基于逐丝挤出的方法具有固有的易碎性，使得像图2中的结构那样几乎不可能打印网格。另外，在挤压结构中，孔隙是垂直存在的，而水平孔隙则出现在层之间，因此是有限的或不存在的。考虑到每种技术的不同优势，用户必须为其设计考虑最适合的生物打印方法。虽然挤压提供了简化的设计和打印过程，使其非常适合于访问CAD软件受限或刚刚起步的实验室，但基于光的生物打印技术目前是再现人体最小，最复杂结构的ZJ选择。但是形状和大小只是组织工程难题的一部分。

选择材料

如果器官由一种材料和一种细胞类型组成，则生物打印器官将容易得多，但是适当地重建器官意味着捕获不同细胞类型的空间排列。挤压打印机可以在龙门架上排列任意数量的墨盒，从而可以逐个细丝地排列材料和细胞，从而精确地模拟体内环境。相比之下，基于DLP的SLA浴通常是一种材料和一种细胞类型。已经进行了多种尝试来执行多材料SLA打印，其中材料或单元类型的布置无关紧要；然而，这些尝试通常涉及缓慢，重复的清洁步骤，并且存在洗涤液之间或从一种材料到另一种材料之间交叉污染的风险。挤出不仅可以进行多种材料的生物印刷，而且还可以使用多种材料进行印刷。

将流体推入药筒的简便性，使组织工程师在挤出液化然后固化的材料之前和之后都具有创造力和灵活性。挤压材料的几乎无限可能解释了BIO X可用的打印头的多样性，使研究人员可以在单张打印中组合多种材料和单元类型。顾名思义，基于光的生物打印技术（例如在Lumen X中发现的基于DLP的SLA）使用感光材料和光源来促进固化。感光材料还必须具有足够低的粘度，以便在打印过程中构建平台移入和移出液体时，液滴可以流入液滴。

从力学、分辨率、几何形状和材料选择的角度来看，基于挤压的SLA生物打印机和基于DLP的SLA生物打印机之间存在许多差异。但是每种方法的优点使它们在许多研究环境中具有WM的互补性。挤出技术可以从多种生物墨水调色板中进行多种材料的打印，并提供简化的模型设计，而基于DLP的SLA则可以在高分辨率下实现显着的几何复杂性，并且根据所使用的材料，可以实现WM的清晰度。研究人员还可以在一个实验中结合这两种技术。例如，通过将混合的细胞从BIO X挤出到在Lumen X上印刷的微流体芯片中。无论您选择在工作流程中添加一个还是两个，您都会发现CELLINK提供了可靠的，通用的生物打印解决方案。

      3D打印的思想源于19世纪末美国研究的照相雕塑和地貌成型技术。在20世纪80年代为了满足科研探索和产品设计的需求，在数字控制技术进步的推动下得以实现，3D打印的相关技术得以积累，并且在业内小规模传播。20世纪90年代中期，出现利用光固化和纸层叠等技术的Z新快速成型装置，它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，Z终把计算机上的蓝图变成实物。

      3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和YL产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有地理信息系统所应用。

       德国Nanoscribe公司的Photonic Professional GT系列仪器是目前世界公认的打印精度Z高的微纳米3D打印机。跟传统的以激光立体光刻为代表的高精3D打印机相比，利用双光子微光刻原理的Photonic Professional GT系列能够轻松打印出精细结构分辨率高出100倍的三维微纳器件。

      不管是在科研领域还是在工业界，双光子加工都被认为是Z具有应用前景的精细加工技术之一。作为市面上双光子加工技术的翘楚，Photonic Professional GT提供了全智能的软件操作界面以及标准化3D作业流程，能够实现多种材料的增材以及减材加工。目前排名前十的大学里已经有六所购买了这台设备（例如哈佛大学，斯坦福大学等），开创或者推动着诸如力学超材料、激光快速成型，微纳机器人，再生医学工程，微纳光学，微机电以及等离激元等多个创新领域的研究。

      纳糯三维科技（上海）有限公司作为Nanoscribe在ZG的子公司加强了在ZG的销售活动，巩固现有业务关系，并在整个亚太地区进一步扩大客户服务范围。

2019年，3D打印产业规模达到119.56亿美元，年增长率为29.9%；ZG2019年3D打印产业规模为157.47亿元人民币，年增长率为31.1%。

自2011年以来，3D打印产业一直保持持续高速增长态势，离不开各国政府对3D打印产业的QL支持。以我国为例，3D打印被列入了863科技计划、《ZG制造2025》等国家战略，仅在2017年，我国就出台了8项对3D打印的支持政策。在《增材制造（3D打印）产业发展行动计划（2017-2020年）》中明确规定，年均增速达到30%以上，2020年增材制造产业销售收入超过200亿元人民币。由此可见， 3D打印对未来工业的重要性不言而喻。

2020年亚洲3D打印、增材制造展览会（TCT Asia 2020）现场盛况

（视频源自：TCT亚洲视角）

一、什么是3D打印

3D打印又称为增材制造，是20世纪80年代末期兴起的一种快速成型技术，它是以数字模型文件为基础，将粉末状金属或塑料等可粘合材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合产生深刻影响，是制造业具有颠覆性的成型技术。

与传统的制造技术相比，3D打印不需要预先制造模具，在制造过程中不需要去除大量的材料，也不需要通过复杂的锻造过程就能获得ZZ产品。因此，在生产中可以实现结构优化、节约材料和降低能耗。3D打印技术适用于新产品开发、快速单件和小批量零件制造、复杂形状零件制造、模具设计和制造以及难加工材料制造、形状设计检验、装配检验和快速逆向工程。因此，3D打印行业越来越受到国内外的重视，并将成为下一个具有广阔发展前景的朝阳产业。

二、3D打印发展历程

1986年，美国科学家Charles Hull开发了首台商业3D印刷机。

1993年，麻省理工学院获3D印刷技术ZL。

1995年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得授权并开始开发3D打印机。

2005年，市场上高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功。

2010年11月，美国Jim Kor团队打造出世界上DY辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世。

2011年6月6日，发布了DY款3D打印的比基尼。

2011年7月，英国研究人员开发出世界上DY台3D巧克力打印机。

2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上DY架3D打印的飞机。

2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。

2013年10月，首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。

“ONO之神”（图片源于：雅昌艺术网）

2018年12月10日，俄罗斯宇航员利用国际空间站上的3D生物打印机，设法在零重力下打印出了实验鼠的甲状腺。

2019年1月14日，美国加州大学圣迭戈分校首次利用快速3D打印技术，制造出模仿神经系统结构的脊髓支架。

2019年4月15日，以色列特拉维夫大学研究人员以病人自身的组织为原材料，3D打印出首颗拥有细胞、血管、心室和心房的“完整”心脏。

2019年10月13日，河北工业大学用3D打印技术成功在校区内复制并装配了具有1400多年历史的赵州桥，为古迹修复做出了有益尝试。

2020年5月5日，ZG长征五号B运载火箭上搭载的“3D打印机”，在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验。这是人类首次实现太空3D打印实验。

长征五号B运载火箭

三、3D打印主要国家市场份额

3D打印主要集中在美、德、中、日、英等几个国家，2019年市场份额分布图如下：

四、3D打印产业结构

3D打印产业主要包括3D打印材料、3D打印设备及3D打印服务三个方面。在2019年3D打印产业规模中，三者占比分别为24.1%、44.3%和31.6%。

3D打印材料是3d打印技术发展的重要物质基础。在某种程度上，材料的发展决定了3D打印能否得到更广泛的应用。

目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶材料、金属材料、陶瓷材料、彩色石膏材料、人工骨粉、细胞生物材料、砂糖等，随着技术的发展和进步，材料的种类还会越来越丰富。

3D打印作为一种新兴的制造技术，目前，国内尚未制订出3D打印材料标准、工艺规范、零件性能标准等行业标准或国标，但对于粉末类3D打印材料，业内已经形成了一些评价指标，主要有化学成分、粒度分布、粉末球形度、流动性、松装密度等，其中，化学成分和粒度分布是最常用的两个评价指标。欧美克Topsizer Plus激光粒度分析仪

对于不同的3D打印技术，对于粉末材料的粒度分布要求也不同，比如，以激光作为能量源的打印机，因其聚焦光斑精细，较易熔化细粉，适合使用15~53μm或5~25μm的粉末作为耗材，因为此粒度范围内的粉末既有良好的流动性，又较易熔化；以等离子束作为能量源的打印机，聚焦光斑略粗，更适于熔化粗粉，适合使用53~105μm的粉末作为耗材。

3D打印行业普遍采用欧美克激光粒度分析仪测试粉体材料的粒径分布，欧美克激光粒度分析仪具有动态测试范围宽及测试结果真实性、重复性、再现性、分辨力和灵敏度高等特点，是3D打印材料理想的粒径分布测试仪器。

3D打印技术已经应用于工业制造、科学研究、医学等多个领域，使得各行各业的人们可以便捷地打印出立体物体。不过，虽然3D打印的产物是三维的，但目前的3D打印本身其实属于二维的平面过程。

3D打印的基本工作原理是：首先，一层平整的树脂在激光的照射之下，硬化形成塑料。随后，这个过程多次反复、树脂逐层堆积，***终由下***打印出完整的三维物体。不过，如果目标产物的一部分是悬垂状态，例如要打印一座桥或是机翼，那么打印过程就需要水平方向的外在支撑结构，以避免树脂倒塌。

现在，在一项发表于《自然》杂志的***新研究中，来自哈佛大学和MIT的研究团队开发出了真正意义上的3D打印。这项被称为“体积3D打印”的技术打破了由下***逐层打印的***，使得3D打印过程可以实现自我支撑，而无需借助外在支撑结构。

“我们想知道的是，我们能否抛开这些复杂的步骤，直接打印整个物体，”这项研究的***，斯坦福大学助理教授Daniel N. Congreve说，“我们的目标是仅借助激光的移动来真正打印出三维图案，而不是受限于逐层打印的特性。”

这项全新设计的关键，就在于通过一个增频转换过程，将红光转变为蓝光。

在3D打印过程中，树脂在平坦的表面上，随着激光的路径沿直线硬化。在***新研究中，研究团队使用纳米胶囊包装实现增频转换的分子，使树脂只对激光焦点处增频形成的蓝光产生反应。光束从3个不同的方向扫描，因此不需要在上一层材料的基础上打印。

相比于传统手段，通过新方法产生的树脂黏性更强，因此在打印过程中，可以无需借助外力支撑“站立”。

“通过我们对树脂、打印系统的设计，红光在这里不起作用，” Congreve教授说，“但小的蓝色光点诱导的化学反应让树脂变硬、形成塑料。总的来说，这意味着来自各个方向的激光穿过这个系统，但只有蓝光可以使树脂聚合，从而实现打印。”

研究团队使用这款全新的装置，打印了包括哈佛、MIT校徽在内的三维物体。此外，这套装置还打印出了一艘小船——这种物体常常作为3D打印机的标准测试对象，因为这样的小船足够小，并且需要舷窗这样的精细细节和开阔的船舱空间。

▲利用全新的3D打印技术打印的小船

当然，研究者也承认，目前仍有很长的路要走。“我们刚刚接触到这项新技术的浅层。” Congreve教授表示。接下来，他们计划继续改进这一系统，以提升其打印效率、包含更多细节。Congreve教授期待，这项全新的技术或将开创3D打印的全新未来：不仅使得打印设备不再需要复杂的支撑结构，而且潜力兑现后，有望大幅提升打印速度。