【导读】
体式增材制造技术（Volumetric Additive Manufacturing, VAM），在近几年中引起了广泛的关注。VAM指一种通过一组用于光固化的光学图案从多个角度投射向整体光敏树脂来打印3D物体的制造技术。相较于SLA的逐点光固化和DLP的逐层光固化制造技术，VAM可以达到前所未有的短打印时间(下降到几十秒)，且能够打印出复杂的中空结构。然而，VAM的应用被限制在具有高光学透明度和很少光散射或吸收的材料上。当打印高散射性材料时，如负载高浓度细胞的水凝胶，光学图案不仅发生弹道光衰减，且随着传播深度逐渐畸变，最终转化为打印物体的分辨率损失和保真度下降，如图1所示。
图1. 传统VAM打印高散射材料时的中空通道
为解决上述问题，来自洛桑联邦理工学院（EPFL）的Christophe Moser教授团队提出了一种可表征树脂中的光散射及校正光学图案的方法。实验证明，当打印超过散射平均自由程尺度的物体时，执行此校正至关重要。为显示该校正方法的广泛适用性，作者实现了硬有机散射丙烯酸酯和软负载细胞水凝胶材料的高保真物体制造，如图2。相关研究成果以 “Controlling Light in Scattering Materials for Volumetric Additive Manufacturing”为题发表在Advanced Science上。
图2. VAM经光散射校正后打印高散射材料时的中空通道
【研究结果】
为缓解k空间中散射的不均匀影响，作者根据上述测量结果，计算出一个校正掩膜，使得所有深度上频率分量的振幅值平均地保持一致。最后，将校正掩膜应用于传统的二进制图案上，获得校正光学图案，如图3所示。
图3. 光散射表征与校正方法
接着，作者测试了在有无校正方法下VAM的打印性能。打印材料为含TiO2纳米颗粒的五丙烯酸酯散射树脂，打印模型为具有内齿轮和外齿轮的齿轮3D模型。结果表明，无校正下，模型内部齿轮形成较好，但外部齿轮已发生过度聚合。而在校正介入下，模型内部齿轮结构更清晰，且外部齿轮未发生过度聚合，如图4所示。
图4. 光散射校正后的VAM可提高打印保真度
最后，作者使用光散射校正后的VAM来制造载细胞水凝胶的中空结构模型。对于厘米尺度的生物打印体，中空通道的形成是至关重要的，以便为水凝胶深处的细胞提供必要的营养和氧气流入。为此，作者设计了一个仿血管的几何结构模型，其由一个4 mm的实心内核和围绕其四周的4个通道组成。从打印结果来看，传统VAM制造的模型出现了堵塞的通道和中空的核心，这是因为光线在经过细胞时发生了散射使得正确的光学图案并没有到达中心。相反，光散射校正后的VAM制造出的模型与设计模型符合的较好，如图5。
图5. VAM打印载细胞水凝胶的仿血管模型
总之，该项研究结果描述了校正光散射的必要性，以提高复杂非透明材料中三维立体打印的保真度，这为具有高散射特性的材料打印开辟了有力的前景，并在生物3D打印载细胞模型方面带来了诸多有趣的应用。