《BDM》综述 | 体积生物打印：从生物墨水设计到分辨率提升，秒级构建人体组织不再是梦

一个厘米级的复杂三维组织模型，从液体墨水中“凭空”固化成型，只需几十秒——这就是体积生物打印（TVBP）带来的颠覆性变革。它彻底打破了传统层层堆叠的打印逻辑，用一束束动态光场“雕刻”出活体组织。然而，这项技术还面临生物墨水“难打印”、微小结构“看不清”等难题。近日，浙江大学贺永教授团队在《Bio-Design and Manufacturing》上发表长篇综述，系统总结相关挑战，提出了体积打印墨水的高粘度、高透光、高生物相容性三大设计原则，为TVBP从实验室走向应用绘制了清晰路线图。

概要

01 引言：什么是断层体积生物打印？

传统3D生物打印，无论是挤出式还是投影式，都遵循“层层叠加”的思路——打印头或投影面逐层移动，像盖房子一样砌出立体结构。这种方法虽然成熟，但速度慢、对支撑结构要求高，且难以打印超软材料（如<100 Pa的水凝胶）。

断层体积生物打印（Tomographic Volumetric Bioprinting, TVBP）则完全不同。该方法是医学CT的逆过程，CT中X射线转一周，可获得人体三维数据，而体积打印则是墨水转一周，实现光打印出3D结构：一个装有光敏生物墨水的透明容器匀速旋转，同时从多个角度投射动态光图案。光在墨水内累积能量，当某个体素接收到的总剂量超过固化阈值时，该处瞬间固化。整个三维结构同步成型，无层、无支撑、无接触。这一技术最早于2019年由Kelly等人以“计算轴向光刻（CAL）”之名提出，随后迅速扩展至生物制造领域。TVBP的两大优势是：1）极快速：厘米级结构仅需10–30秒，比传统方法快1–2个数量级；2）极软兼容：可打印模量低于100 Pa的超软水凝胶，完美匹配脑、神经等软组织。然而，TVBP目前仍处于发展早期，主要瓶颈在于：缺乏专用生物墨水（多数传统光敏树脂不满足透光与生物相容性）、分辨率不足（难以重现毛细血管级别的精细结构）。这篇综述正是围绕这两大痛点展开。

02 核心算法：从CT逆向到全息光场

TVBP的“大脑”是投影切片算法。它要解决一个逆向问题：已知目标三维形状，如何计算出每个旋转角度下该投影什么光图案，使得累积光剂量恰好让目标区域固化、背景区域保持液态？

算法进化史： 2019，PGD：Kelly等人采用启发式梯度下降，首次在实验中证明可行性，但剂量控制粗糙，容易陷入局部最优。2021，PM/DM/OSMO：引入约束优化和物体空间建模，显著抑制过固化，并能调控灰度梯度，实现功能梯度材料。2023–2024，射线追踪/反卷积/波光学：突破光学简化假设。3D射线追踪校正了非远心投影带来的畸变，使构建体积扩大3倍；反卷积算法补偿了化学扩散与光学模糊，成功打印微米级齿轮；波光学模型取代几何光学，消除了衍射伪影，分辨率下探至20 μm以下。2025，全息相位编码/逆向渲染：用空间光调制器生成贝塞尔/涡旋光束，光效率提升28倍，分辨率达31 μm；逆向渲染框架则允许在任意散射树脂和非对称容器中高保真打印。

断层体积打印的原理

图2 断层体积打印的切片算法进化史

03 生物墨水设计：三位一体的黄金法则

TVBP对墨水的要求与挤出式或DLP生物打印截然不同。本综述提出了体积打印墨水的高粘度、高透光、高生物相容性三大设计原则。

3.1 高粘度：对抗重力沉降

TVBP打印过程中，未固化的墨水需要保持悬浮数秒至数十秒。如果粘度过低，已固化的部分会因重力而沉降，导致结构变形。解决策略包括：1）牺牲性物理网络：添加明胶，低温下形成凝胶，支撑整个体系；打印完成后升温洗脱。该方法已成功用于PEG、透明质酸等体系的体积打印。2）非交联增稠剂：大分子量多糖类增稠剂，0.5%海藻酸盐即可将15% PEGDA的粘度从<1 mPa·s提升至50 mPa·s。3）热可逆有机凝胶：乙基纤维素体系可在低粘度单体中建立屈服应力，实现无沉降图案化。

3.2 高透光：让光束深入墨水

TVBP依赖多角度光投影，若墨水散射或吸收过强，光能无法到达中心区域，易导致打印失败。关键是调节墨水吸光度以及匹配折射率：低光引发剂用量：LAP可在0.05–0.1%（质量分数）下有效固化，既保证合适的吸光度又降低细胞毒性。长波长光源：蓝绿光（>405 nm）比紫外光穿透更深，配合Ru/SPS体系可用于丝素蛋白、dECM等可见光固化生物墨水。折射率匹配添加剂：碘克沙醇（一种X射线造影剂）可将细胞核等散射中心的折射率匹配至水凝胶基质，使单细胞密度高达1.5×10⁷ cells/mL时仍能打印50 μm级精细结构。

3.3 高生物相容性：细胞存活与功能并重

TVBP的秒级固化本身就有利于细胞存活，但材料性质仍至关重要：常用GelMA胶：浓度5%以下，模量可低至百帕级，适合细胞生长。硫醇-烯点击化学：采用明胶-降冰片烯/硫醇体系，10秒固化，细胞存活率接近100%，模量可在40–150 kPa间调节。dECM墨水：较好的生物相容性，可打印出保持心肌细胞同步搏动的心肌补片，亦或是构建出仿生乳腺导管/肺泡模型。

三种打印工艺的墨水设计对比

04 分辨率优化：四个维度的极限突破

TVBP当前可稳定实现的典型分辨率为：正特征（如细丝）45–80 μm，负特征（如孔道）100–500 μm。要进一步提升，需从光学、材料、化学、算法四个维度协同发力。

打印分辨率的影响因素

4.1 光学系统：微-CAL与远心校正

Etendue限制：光源的扩展量与数值孔径决定边缘分辨率。通过将激光耦合到小芯径光纤，微-CAL系统在中心1.5 mm区域内MTF>0.4，聚合物最小特征尺寸达20 μm。远心投影：普通投影仪存在非远心畸变。采用双远心光学设计，使像素尺寸恒定，更符合Radon变换的平行光假设，大幅提升边缘保真度。浸液与负透镜：用折射率匹配液或负透镜校正圆柱形样品池的透镜效应，避免边缘模糊。

4.2 墨水响应：非线性响应适度最佳

材料的剂量-固化响应曲线直接影响保真度：线性响应：剂量微小波动就会导致边缘模糊，不推荐。S型非线性：两端饱和，中间陡峭，能容忍一定剂量误差，是目前TVBP的理想选择。阶跃型：对二进制目标有利，但对灰度目标反而产生误差。可通过添加自由基抑制剂（如TEMPO）调节硫醇-烯体系的响应，优化打印窗口。

4.3 化学动力学：氧抑制是把双刃剑

传统光聚合中氧抑制是“敌人”，但在TVBP中，适度的氧抑制可限制非目标区域的固化，提升分辨率。高粘度树脂（10 Pa·s）限制氧扩散，使氧在20秒打印周期内移动距离<2 μm，从而保持剂量空间精度。VirtualVAM模拟表明，反应主导体系（高Damköhler数）可保留尖锐边缘，但易产生局部不均匀；扩散主导体系则会造成特征圆润化。最优平衡点需根据特征尺寸调整。

4.4 算法补偿：散射校正与动态反馈

散射校正：利用DMD投影不同空间频率图案，测量散射介质对高频信号的衰减，生成校正掩模。实验表明，对TiO₂纳米复合树脂，校正后齿轮结构的交并比（IoU）从0.56提升至0.80，接近透明树脂的0.83。虚拟仿真（VirtualVAM）：模拟单个体素的反应-扩散过程，预测凝胶化起始点与传播路径，自动确定最佳终止时间，避免过固化或欠固化。遮挡补偿：当需要打印嵌入物（如预置支架）时，模型加权算法可修正遮挡引起的光剂量不足，使内部体素固化质量提升15–67%。

三种打印工艺的打印效率对比

05 应用全景：从组织工程支架到类器官

5.1 组织工程支架：秒级构建仿生骨与半月板

研究案例：骨小梁模型：使用5% GelMA+0.05% LAP，8.5×9.3 mm的骨小梁结构在30秒内完成，孔隙144 μm，支持内皮细胞与间充质干细胞共培养，诱导早期血管出芽。半月板模型：以10⁷ cells/mL密度打印的半月板模型，培养28天后压缩模量达266 kPa，匹配天然关节软骨，并均匀沉积GAGs和I/II型胶原。仿生血管模型：将熔融电写（MEW）微纤维网络与GelMA体积打印结合，构建三层仿生血管模型——内层内皮细胞、中间水凝胶+间充质干细胞、外层MEW增强层，完美模拟天然血管分层结构。

用于制造组织工程支架

5.2 类器官与病理模型：高通量药物筛选平台

研究案例：肝类器官：通过碘克沙醇光学调谐，在20秒内打印出负载肝类器官的凝胶结构，保持类器官极性与活性。低刚度（<2 kPa）水凝胶显著促进肝细胞分化，氨解毒效率提高，用于药物代谢筛查。胰腺癌模型：TVBP打印成纤维细胞支架，再注入KRAS突变胰腺导管上皮细胞，3天内形成致密腺泡样结构，重现肿瘤-间质互作，发现IL-6上调可作为早期进展标志物。

用于构建类器官与病理模型

5.3 药物制造：12秒生产多枚个性化药片

研究案例：同步多片打印：利用TVBP的并行能力，12–32秒内同时制造环形和圆柱形两种载药（对乙酰氨基酚）Printlet，释放动力学可通过调整单体分子量和稀释剂比例精确调控。水溶性药物负载：首次将华法林以0.5–6.0%载药量快速打印成环状片剂，6.5–11.1秒完成，释放时间2.5–7小时可调，实现真正的个性化剂量。与DLP对比：TVBP制备的给药器件在7.5秒内完成，溶胀率、吸水率等理化性能优于DLP（760秒），且释放曲线一致，显示巨大高通量生产潜力。

用于快速制造药片

5.4 柔性电子与软体机器人

研究案例：形状记忆聚合物：硫醇-烯体系通过TVBP打印出三脚架、三臂抓取器，形状恢复率约99%。声辅助体积打印（SonoPrint）：利用驻波场定向排列增强颗粒（玻璃、金属），实现复杂图案化复合材料。嵌入式软体机器人：在GelMA中过打印内骨骼系统，利用溶胀诱导变形实现指节60°弯曲驱动。离子导电弹性体：过打印TCP-ICE传感器到机器人关节，实时采集运动信号并发送“SOS”编码，展示驱动-传感一体化潜力。

用于制造柔性电子器件

06 未来展望：标准化×智能化×可持续

尽管TVBP前景广阔，但要实现工业化应用与临床转化，仍需攻克三大挑战：

6.1 标准化

缺乏统一的墨水配方数据库、工艺参数规范以及打印质量评价体系（如分辨率、保真度、细胞活力）。需要建立类似生物材料领域的“标准参考墨水”，便于跨实验室对比。

6.2 智能化

AI辅助设计：利用人工智能建立墨水成分-流变-光学-打印性关系模型，自动推荐最优配比。闭环反馈控制：结合高速CMOS相机与卷积神经网络，在打印过程中动态校正投影畸变和散射伪影。数字孪生：将VirtualVAM等仿真工具集成到打印流程，实现“一次成功”而非“试错迭代”。

6.3 可持续性

墨水回收：TVBP使用的未固化树脂理论上可回收再利用，但需要监测光引发剂与光敏基团消耗程度，建立回收循环次数与交联效率的关联模型。光效提升：全息编码已实现28倍光效率提升，未来可进一步结合双波长、多光束等策略降低能耗。成本控制：液晶显示（LCD）版的CAL技术将设备成本降低两个数量级，推动桌面级体积打印应用。

TVBP的未来挑战和发展方向

07 结语：从快速原型走向功能制造

体积打印正在以无层、超快、多材料一体化的独特优势，重塑生物制造、精密光学、柔性电子等多个领域的生产方式。未来十年，随着红移光化学、AI算法、精密光学与力学的深度融合，TVBP有望从快速原型跃迁为真正的功能制造。届时，个性化组织工程支架、定制化药物乃至类组织类器官的构建将会像打印照片一样简单。

原文：

Wu Q, He C, Qiao T, et al. Tomographic volumetric bioprinting: from bioink design to resolution enhancement. Bio-Design and Manufacturing, 2026.

https://doi.org/10.1631/bdm.2500260