动态界面打印（DIP）的原理与优势
动态界面打印是一种基于声学调控的气-液界面快速成型技术。与连续液体界面生产（CLIP）、体积增材制造（VAM）、Xolography等高速打印方法相比，DIP具有独特优势。其核心在于一个中空打印头，该打印头包含一个透明光学窗口用于轴向投影和一个集成加压系统。当打印头浸入光聚合物中并进行加压时，会在其开口处形成一个受控的气-液弯月面。这个空气-液体界面作为制造边界，由于没有刚性结构接触，避免了机械粘附，这对于制造极其柔软、脆弱的结构至关重要。DIP允许直接在可触及的任意容积内（如多孔板）快速制造结构，同时规避了体积系统传统上所需的复杂重建过程和材料特性限制。
集成力学表征与液体内测试的挑战
传统的光基制造方法通常需要在力学表征前，将打印的结构从构建平台或容器中取出。这对于低弹性模量（0.5–50 kPa）的水凝胶材料构成了挑战，因为它们在操作过程中极易变形和损坏。此外，高长径比或复杂的三维结构可能在打印过程中因自重而变形或塌陷。这种机械不稳定性使得从固有材料属性中解耦出结构特有的力学性能变得复杂，因为结构特征在表征前就已经受损。为解决这些限制，本工作通过在制造和表征过程中维持浮力支持 来保持结构完整性。打印后，利用集成在打印头上的载荷传感器 对打印的支架进行原位力学表征 。通过将打印头向容器底部平移，同时从载荷传感器和线性平台记录力和位移，进行单轴压缩测试。
然而，在液体中进行测试意味着静水压力会贡献到测量的载荷中，必须将其扣除以分离出结构的真实力学响应。这种校对于低模量材料尤为重要，因为静水贡献可能与结构力相当或超过。校正方法是在打印前，通过将打印头平移一段已知的垂直距离来获取力-位置对。由于静水贡献随深度线性变化，通过线性回归可以估计静水梯度，从而在制造前推断出配方密度。在单轴压缩过程中，预测的静水成分从记录的载荷中减去，以解出结构力。校正后，测量到的响应反映了打印结构内在的力学行为，与浮力效应无关，从而能够精确测量低刚度结构行为，如屈曲和突弹跳变，即使在支撑流体存在的情况下也能达到亚毫牛顿级的灵敏度。
几何结构相关的力学性能表征
研究展示了检测具有几何依赖力学性能的复杂三维结构的能力。利用30% w/v 聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）打印了三种三周期极小曲面（TPMS）结构——螺旋二十四面体（Gyroid）、金刚石（Diamond）和分裂P型（Split-P），其晶胞尺寸分别为2、4和6毫米。结果符合预期，结构刚度随着晶胞尺寸的减小而增加。当对所有晶胞尺寸进行汇总时，观察到不同类型TPMS之间存在一致的差异。以金刚石结构为基准进行归一化后，分裂P型和螺旋二十四面体结构分别表现出约2.5倍和6倍的较低刚度，这与先前比较TPMS机械响应的几何依赖性变化的报告一致。实时的自上而下制造监控采用同轴成像，以验证整个打印过程中的结构保真度。
刚度自动寻优与灰度光刻
该研究展示了通过空间调制光固化材料的机械性能，在超材料、微流控、4D材料和生物制造等领域的广泛应用潜力。特别是在生物制造中，灰度方法可用于定制底层细胞外基质（ECM）特性，以控制三维组织支架内的细胞组织。材料模量的变异性由不同的光学剂量驱动，这决定了交联密度。为了实现对灰度光刻的自动化评估，研究提出了一个利用原位制造和DIP高体积通量能力的“表征-反馈”闭环框架。对于每种材料，首先建立一个灰度参数映射，以定义在固定光功率下可产生可分辨特征的灰度值有效工作范围。这为后续优化灰度参数以实现目标结构模量奠定了基础，无需任何关于结构拓扑、材料参数或材料光-机械响应的先验知识。
研究采用了基于零阶优化（也称为连续臂老虎机优化）的简单学习方法。该方法将灰度参数空间视为一个连续臂老虎机问题，其中每个灰度值代表一个具有未知“奖励”函数（负模量误差）的“臂”，通过控制探索来采用上置信界（UCB）策略，平衡对已学梯度信息的利用和对未知梯度信息的探索。以初始灰度猜测开始，算法使用每个打印样本的测量模量通过有限差分估计局部梯度（∂E/∂g），并通过带有置信度加权的指数移动平均更新此估计。对于下一次迭代，算法采用牛顿-拉夫森控制方案来预测最优灰度调整gk+1 ，在梯度置信度低时回退到比例控制，同时添加随迭代次数呈指数衰减的受控高斯噪声，以实现老虎机探索策略。为了展示此优化策略，将“表征-反馈”闭环方法应用于迭代确定在多孔板内直接制造具有25 kPa目标整体模量的圆柱形螺旋二十四面体TPMS结构所需的灰度值。该算法通常在4-6次迭代内收敛，在所评估的材料配方和结构设计中达到目标模量的精度在3%–5%以内。
三维灰度光刻与非线性机械响应工程
除了全局灰度图案化，局部、立体地调控灰度行为通常更有优势，因为局部刚度变化可用于产生比单独全局图案化所能实现的机械复杂性高得多的结构。为了将灰度图案化的空间分辨率提升到均匀全局曝光之外，研究实施了一种三维点云方法，允许为任何任意几何形状生成体积灰度掩模。该方法建立一个包围目标几何形状的边界框体积，在其中分布一组离散的节点。每个节点由其空间坐标（x, y, z）、指定的灰度强度值（G）和一个控制灰度影响空间衰减的指数衰减参数（dp ）来表征。由此产生的灰度分布是通过所有节点影响的累加组合计算得出的。随后，与体素化的目标几何形状进行卷积，产生空间调制的三维灰度分布。
利用DIP固有的实时成像能力，可以直接原位可视化制造的结构，通过检测聚合网络中局部折射率调制来观察灰度交联密度变化。为了展示体积灰度调制对整体力学性能和非线性机械响应工程的影响，研究制造了成对的结构——未修改的和灰度修改的——由8% (w/v) PEGDA和10% (w/v) 明胶组成，采用钌/过硫酸钠（Ru/SPS）光引发体系。与经历直接单分子光解的I型光引发剂（如Irgacure 2959, LAP）不同，Ru/SPS是一种II型光引发体系，其中光激发的Ru(II)经历电子转移到SPS，产生硫酸根自由基。重要的是，在此背景下，这些硫酸根自由基选择性氧化酪氨酸残基，形成共价双酪氨酸键，无需化学预功能化（如甲基丙烯酰化）即可交联未修饰的明胶。利用这种材料组成，未修改的对照结构在整个加载范围内表现出线性应力-应变关系。相比之下，灰度修改的结构显示出双相机械响应，其特征是初始的顺应变形阶段，随后随着在持续加载下逐渐募集异质结构元件，出现显著的应变硬化行为。
实时三维重建与光片成像
为了扩展实时成像能力，研究集成了一个与打印方向正交的光片照明系统以及相应的基于SAM2（Segment Anything Model 2）的图像处理框架。该系统包括两个激光源，分别工作在530 nm（绿色）和625 nm（红色），以匹配特定的荧光团激发要求。与在单幅图像中捕获所有制造区域叠加的纯明场成像配置不同，光片照明能够在制造过程中对层状横截面进行分割。该技术产生横截面图像，其固有对比度来源于聚合结构与周围预聚物之间的折射率差异。
然而，光片穿过整个结构传播会引入散射和衰减伪影，传统的基于全局阈值、边缘检测或区域生长的图像分割算法难以分割，这些算法对强度变化、噪声和局部对比度变化敏感。为了缓解这些挑战，研究采用了基于开源SAM2的机器学习分割方法。该模型在由光片系统在各种光照和结构形态下手动分割的小型视频帧数据集上进行了进一步微调。这种方法尽管存在噪声、失真和有限的前景-背景对比度，仍能实现精确的层状分割。因此，通过沿打印方向积分分割的二进制横截面实现实时体积重建。
为了评估在代表性几何形状上的重建性能，使用光片系统制造并成像了两种晶格结构：萤石晶格（晶胞尺寸2毫米）和螺旋二十四面体晶格（晶胞尺寸4毫米）。对于每个目标横截面，使用SAM2预测的二进制分割与地面实况二进制投影之间的结构相似性指数（SSIM）来量化重建准确度，得出层状结构误差δstruct, k 。每个结构的整体重建误差δstruct 定义为所有帧的δstruct, k 的平均值。使用此度量，萤石和螺旋二十四面体晶格的重建准确度分别为86.33 ± 4.47% 和 91 ± 3.21%（平均值 ± 标准差，n = 3）。
讨论与未来展望
这项研究提出的高通量集成平台，利用DIP实现了水凝胶材料的力学和体积光学表征，允许在标准实验室器皿（如多孔板）内的流体介质中原位表征，消除了转移柔软/脆弱生物材料样品的需求。这不仅减少了表征时间，也降低了结构损坏的可能性。通过该表征平台，开发了一种计算高效的方法，通过整体光强调制来优化整体结构刚度，无需关于拓扑、材料组成或强度-刚度关系的先验知识。此外，为探索局部灰度调制的影响，引入了一种简单的体积灰度方法，基于三维边界框节点权重生成任意体积灰度分布，适用于任何拓扑结构。对该方法的参数分析揭示了通过设计的灰度调制可实现线性和非线性机械行为。
为进一步扩展实时成像能力，集成了光片照明系统和基于SAM2的相应图像处理框架，该框架从光片照明区域的空间上下文学表示中预测结构边界，而不是依赖于明确的强度阈值或边缘启发式方法。这显著提高了对阴影、照明梯度、散射和测量噪声的鲁棒性。然而，在严重衰减、散射或相对于训练分布的强烈域偏移情况下，性能仍会下降。虽然初始SAM2训练数据集是用本研究直接相关的结构示例构建的，但未来的工作可能需要扩展数据集以涵盖更多样化、通用的几何形状，以改进跨更广泛结构类别的重建性能和鲁棒性。未来的实现可用于动态实时更新投影和相应的灰度分布，以实现结构复制的闭环控制。
随着能够将生物制造从实验室推向工业规模应用的方法不断发展，开发用于生物打印的过程分析技术（PAT） 框架至关重要。此类框架能够根据测量的质量属性控制制造过程，支持不仅在不同独立试验和批次之间，更重要的是在不同独立实验室之间实现标准化。这对于在从打印构建体得出生物学或功能结论之前，规范化由材料、操作员、系统配置和工艺条件引起的变异性至关重要。本研究基于对DIP打印材料的评估实施了这样一种方法，并演示了实时光片重建组件，用于大约厘米级别的半透明物体。虽然刚度寻优本身不受树脂光学特性的影响，但使用含有高浓度光学散射成分（如细胞、颗粒）的生物墨水、不透明材料或较大横截面，可能会阻碍体积重建，需要加入折射率匹配添加剂或采用替代的重建策略。
总之，这项研究展示了一个基于DIP的结构评估平台，允许对打印结构进行原位力学评估和实时体积重建。虽然所演示的工作使用DIP作为制造方法，但未来的实现可以探索如何将原位力学表征转化为替代的打印模式，包括体积打印、Xolography、CLIP以及广义的光基制造。
打赏
