北德克萨斯大学开发超声系统用于实时监测软水凝胶3D打印

2025年5月23日，南极熊获悉，北德克萨斯大学的研究人员开发了一种实时原位超声监测系统，能够以亚波长分辨率追踪软水凝胶3D打印中的交联过程。

这项研究以题为“Real-time in-situ ultrasoundmonitoring of soft hydrogel 3D printing with subwavelength resolution”的论文发表在《通信工程》杂志上，为观察明胶-海藻酸盐水凝胶增材制造过程中的关键瞬态现象（包括层间粘结、表面变形和重力扩散）提供了新方法。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s44172-024-00318-w

由金宇琪和Arup Neogi领导的研究团队将一个10 MHz浸入式超声换能器集成到BIO X生物打印机平台中。平台可以在材料沉积过程中持续收集声学信号，从而不仅能够在打印过程中进行质量控制，还能在离子交联等后处理过程中进行质量控制。

超声波作为生物打印质量控制的工具

虽然光学相干断层扫描 (OCT) 和 X 射线成像等光学技术已被用于增材制造 (AM) 监测，但它们往往受到材料不透明度或电磁干扰的限制。相比之下，超声波穿透深度更大，并且与高含水量水凝胶兼容。团队的装置采用单站配置，将换能器嵌入定制铝基板中，以实时跟踪每个打印层的反射波形。

使用 COMSOL Multiphysics 进行数值模拟，模拟打印过程中的信号行为。超声波反射使研究人员能够检测到喷嘴刮擦或挤压不一致引起的层厚度、弹性和机械扰动的细微变化。

监控几何形状、表面质量和材料行为

在使用全填充水凝胶块的测试中，研究人员观察到清晰的几何结构累积声学指标，随后由于重量累积和喷嘴接触导致层高降低。反射信号的傅里叶分析揭示了弹性和塑性变形，频率色散与表面粗糙度相关。

△打印路径配置：a完全填充样品的打印图案。b网格样品的打印图案。

超声系统还在网格注入式支架打印件上进行了测试，揭示了由于无支撑几何结构导致的重力下垂和结构收缩。这些现象难以通过传统的非原位方法检测到，因此通过相位谱和动态体积模量 (DBM) 剖面进行了可视化。

团队进一步将监测延伸至交联后阶段。通过将样品浸入CaCl₂溶液中，他们实时观察了打印结构的硬化和几何变形。监测使得确定最佳交联持续时间成为可能，从而在不损害结构完整性的情况下增强机械性能。

△与BIOX生物打印机集成的现场超声监测系统概览。图片来自北德克萨斯大学通信工程系。

迈向智能生物打印系统

本研究演示的原位超声系统为软材料3D打印的实时缺陷检测、参数调整和自动化工艺优化提供了途径。尽管目前这套系统仅限于局部测量，但作者建议使用二维相控阵进行扩展，以实现全平面覆盖，并与闭环反馈系统集成。

通过深入了解生物打印过程中细微的机械和几何变化，本系统可以帮助生产用于组织工程、药物输送和再生医学应用的一致、高质量的水凝胶结构。

△全填充块状样品打印的现场监测实验。图片来自北德克萨斯大学通信工程系。

这项研究以水凝胶增材制造领域的最新进展为基础。2021年，科学家们开发了一种用于3D打印应用的高强度海藻基水凝胶，凸显了海藻酸盐的机械潜力。最近，3D打印水凝胶已被用于太空环境中的辐射屏蔽，凸显了功能多样性。同时，一项关于Xolography的研究引入了一种制造软组织结构的体积方法，突破了生物打印分辨率的极限。这些进展凸显了对强大的实时监控系统的需求，例如本研究中演示的基于超声波的方法，以确保复杂水凝胶打印过程中的质量控制和可重复性。