Nature：乌得勒支大学提出GRACE 3D打印新方法，有望实现3D打印范式转变

2025年9月4日，南极熊获悉，荷兰乌得勒支大学的研究团队开发了一种名为GRACE（Generative, Adaptive, Context-Aware 3D Printing）的创新3D打印方法。该方法结合3D成像、计算机视觉和参数建模，能够自动生成适应性几何结构，直接围绕从细胞到宏观尺度的特征进行打印。该技术在生物制造等领域展现出广泛应用潜力，例如创建适应血管状几何形状围绕细胞负载的生物墨水，提高生物打印的功能性，标志着3D打印从被动执行向智能适应的重大转变。研究成果发表于《自然》杂志，题为"Adaptive and context-aware volumetric printing"。


论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09474-1
研究背景



传统3D打印技术已有40多年的历史，主要依赖用户通过计算机辅助设计（CAD）软件定义几何形状，然后由打印机逐层构建。尽管在医疗器械、微流控、生物工程组织以及汽车和航空领域发挥关键作用，但现有打印机本质上是被动工具，对打印环境（如材料组成和内部特征）缺乏感知。这限制了其在复杂应用中的潜力，例如软体机器人、分级复合材料和活细胞生物打印，其中组件的相对位置和架构至关重要。

近年来，计算机视觉、人工智能和体积打印技术的进步为创新提供了基础。体积打印使用可见光场聚合光敏树脂，实现无层快速生产，并擅长“过打印”（overprinting），即非侵入性地打印在现有物体上，甚至包括脆弱的活细胞和类器官。这为开发智能打印提供了理想平台。



方法原理

GRACE方法将体积打印与光片显微成像相结合，实现快速3D映射打印体积，提取位置、形态和光谱信息。这些数据输入多参数建模算法，自动生成针对性几何形状。关键组件和流程包括：

● 实验装置：自定义体积打印机和光片显微路径。光片通过数字微镜装置（DMD）或外部激光源生成，捕获荧光信号。
● 工作流程：同步运动硬件、成像和打印系统。光片扫描产生极坐标截面，转换为3D点云。使用密度基聚类（DBSCAN）检测簇，提取中心坐标。
● 参数建模：使用Rhino3D和Grasshopper软件，根据扫描数据生成自适应模型，如血管状通道网络或互连几何。
● 阴影校正：使用光片作为轮廓仪映射不透明表面，通过物体空间模型优化（OSMO）算法校正投影，减少遮挡伪影。

该方法兼容多种打印模式，如嵌入式挤出体积打印（EmVP）和纤维光（FLight）生物制造。



实验结果

研究展示了GRACE在多种应用中的多功能性：

● 上下文驱动结构：使用荧光染色的藻酸盐微球作为测试平台，在GelMA树脂中生成血管状通道网络（直径450±20μm），精确围绕微球偏移300μm。实现了互连、封装和基于尺寸/光谱的条件几何区分。整个过程在约4分钟内完成（每光谱通道）。
● 自动对齐顺序打印：通过迭代最近点（ICP）算法，自动对齐先前打印的人股骨模型与软骨层，构建多组件结构。高重复性，计算时间<5秒。
● 阴影校正：映射不透明特征，优化投影以提高打印质量。在柱状遮挡实验中，校正后对比度改善（Bhattacharyya系数从0.39降至0.15），相似性指数从0.70升至0.945。在球笼模型中，表面均方根误差从0.50μm降至0.18μm，球度从0.830升至0.965。
● 适应血管网络：围绕胰岛细胞（iβ-cells）负载的环形结构生成优化通道，提高前胰岛素分泌（3.2×10^5相对光单位 vs. 随机通道的2.0×10^5和无通道的1.4×10^5）。
● 多组织模型：顺序打印MSC负载的股骨和ACPC负载的软骨，形成骨软骨架构。细胞在4周内保持功能，合成矿化骨基质和富含糖胺聚糖的软骨。
● 与FLight结合：围绕不同染色MSC球体生成独特形状（星形或圆形），形成厘米级对齐微丝。



未来展望

GRACE代表了3D打印范式的转变，使打印机能够感知并响应上下文线索，自动化过打印并适应打印材料内容。这在生物制造中尤为重要，可创建仿生支架适应细胞或类器官分布，促进组织成熟和个性化医学模型。未来方向包括扩展到其他打印技术（如xolography、多光子打印或声基打印），整合替代成像模式（如光学层析或全息方法），并扩展到全组织尺度。通过移动容器和散射缓解技术，可实现更大体积的成像和打印。与自组装材料的结合可进一步模拟活组织的层次结构。该技术还可应用于软体机器人、聚合物皮肤精确控制和生物分子空间选择性移植，推动再生医学和增材制造的创新。尽管当前局限于厘米级体积，但GRACE为数据驱动制造开辟了新途径。