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  3D打印以其快速，精準(zhǔn)的特點(diǎn)，成為目前制造行業(yè)、食品工程和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最受關(guān)注的技術(shù)之一。然而，傳統(tǒng)打印設(shè)備的龐大體積，以及缺少易于操作的界面限制了3D打印的應(yīng)用。

  近日，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授課題組以智能手機(jī)為平臺(tái)開發(fā)出便于操作的3D打印App，利用智能手機(jī)驅(qū)動(dòng)的投影儀及數(shù)字光處理（digital light processing）技術(shù)，設(shè)計(jì)出便于攜帶的3D打印裝置（圖1）。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的這款基于智能手機(jī)的3D打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)了集打印文件獲取、處理和快速打印為一體的新型便攜式打印平臺(tái)，為DLP打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)和生活教育領(lǐng)域，特別是在資源有限的環(huán)境中的廣泛使用提供了可能。

圖1 基于智能手機(jī)的便攜式DLP 3D打印示意圖

以智能手機(jī)為平臺(tái)的便攜式DLP 3D打印機(jī)

  本研究中搭建的便攜式3D打印設(shè)備，主要由智能手機(jī)和手機(jī)控制的投影儀構(gòu)成，打印所需的圖案由投影儀發(fā)出，經(jīng)光學(xué)元件反射并聚焦后，照射在液體墨水中以逐層打印的方式獲得3D結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 以智能手機(jī)為平臺(tái)的便攜式DLP 3D打印機(jī)的硬件組成

多種打印墨水在以智能手機(jī)為平臺(tái)的便攜式DLP 3D打印機(jī)中的可打印性

  為論證搭建的基于智能手機(jī)的DLP 3D打印機(jī)對各種墨水的可打印性，商業(yè)樹脂及多種水凝膠墨水，包括聚乙二醇二丙烯酸酯（polyethylene (glycol)-diacrylate，PEGDA）、甲基丙烯化明膠（gelatin methacryloyl，GelMA）及烯丙基化明膠（allylated gelatin，GelAGE），被證明能夠成功構(gòu)建一系列具有表面微結(jié)構(gòu)、多孔特征或中空管狀構(gòu)造，以及模擬器官形態(tài)的3D結(jié)構(gòu)（圖3）。

圖3 采用基于智能手機(jī)的DLP 3D打印商業(yè)樹脂及多種水凝膠墨水

以智能手機(jī)為平臺(tái)的便攜式DLP 3D打印機(jī)在骨移植物及原位生物打印中的應(yīng)用

  研究人員進(jìn)一步將該智能手機(jī)DLP 3D打印裝置應(yīng)用于骨移植支架的打印中。實(shí)驗(yàn)顯示成功打印出模擬骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)的骨移植物（圖4a）。為進(jìn)一步證明其在原位生物打印中的可能，研究人員將肌肉組織缺損部位浸入包含小鼠成肌細(xì)胞（C2C12）的GelMA生物墨水中，進(jìn)行原位（生物打印。結(jié)果顯示打印結(jié)構(gòu)與肌肉組織連接完整，并且細(xì)胞能在打印的結(jié)構(gòu)中存活良好（圖4b）。

圖 4 智能手機(jī)DLP 3D打印機(jī)在骨移植支架打印及原位生物打印中的應(yīng)用

3D掃描App輔助獲得3D打印模型設(shè)計(jì)

  考慮到之前的3D打印要求技術(shù)人員熟悉3D模型設(shè)計(jì)，而這一點(diǎn)很難在資源有限的條件下實(shí)現(xiàn)。因此本研究中，結(jié)合智能手機(jī)的3D掃描App和攝像頭，輕松的獲取了用于打印的3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件，從而降低了3D打印技術(shù)的操作門檻。

圖 5 利用智能手機(jī)3D掃描App獲取3D打印模型設(shè)計(jì)

  該文章以“A Smartphone-Enabled Portable Digital Light Processing 3D Printer” 為題發(fā)表在先進(jìn)材料《Advanced Materials》上。上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院和哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士生李婉露和哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后王冕為論文的共同第一作者，通訊作者為哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授和新西蘭奧塔哥大學(xué)基督城分校的Khoon S. Lim。

  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102153