3D打印机的基本步骤与原理？

谢谢邀请。3D打印范围很广，对其中的金属3D打印等不太熟悉，就我比较了解的生物3D打印技术（即包含生物材料、细胞及生物活性因子等的3D打印）稍作介绍，希望对题主有帮助。图片资料出于版权考虑，请自行到相应的文献中查看。

生物3D打印的原理基本上可以分为喷墨式 (inkjet-based printing, IBP)，挤出式 (extrusion-based printing, EBP)，和激光式 (laser-based printing, LBP)。最近的比较全面的生物3D打印方面的综述类文章，一是2014年Wake Forest 的 Atala 团队的综述 （Murphy and Atala, 2014），二是 Penn State University 的 I.T. Ozbolat 团队的一系列综述，可以参考。每种原理简要介绍如下。

喷墨式打印最早是Clemson大学的研究者由喷墨式的 HP 打印机改造而来 (Wilson and Boland, 2003; Xu et al., 2008) ，其基本原理是用加热或压电的方法以一定频率将“墨盒”中的“生物墨水”形成墨滴，通过针头喷洒在平台上，构成组织。喷墨式打印要求“墨水”具有较低的粘度，约 3.5 ~ 12 mPa s (Murphy and Atala, 2014)，即在“墨盒”中处于液态，滴到平台上后迅速固化（交联）。喷墨式打印的喷头容易堵塞，且由于细胞在液态的“生物墨水”中会沉积在底部，因而一定程度上限制了它的实际应用。

挤出式打印是最常用的一类生物3D打印方式。它是喷墨式打印的升级版本，可以打印粘度更高的生物材料，如水凝胶等。根据其打印材料性质的不同，可细分为 FDM（Fused deposition modelling,熔融沉积）和 DIW（direct ink writing，生物墨水直写）两类。前者主要用于热熔性高分子材料（PLA，PCL等）的打印，基本原理是采用加热模块将高分子材料熔融变软（200°左右），然后用机械结构将高分子材料拉丝挤出，高温的丝状材料遇到较冷的平台后凝固成型。由于此过程中材料会经历高温过程，因此不适用于含细胞的打印。热熔性材料的机械强度一般较高，因此常作为打印出的组织的结构支撑。后者多采用含细胞或不含细胞的水凝胶、或细胞团作为“生物墨水”。挤出水凝胶的方式有气压式、螺纹挤出式。其中气压式挤出的参数（挤出压力等）易于调整，故被广泛应用。挤出式打印的主要缺点是精度较差，这是由它的基本原理决定的。现今世界上挤出式打印的精度最高可达百微米级，即打印出的水凝胶丝直径约100μm。

激光式打印是基于激光的打印方式，在三种打印中精度最高，且打印速度最快。它可分为激光辅助式 (laser-assisted, 基于 LIFT，即laser-induced forward-transfer 原理) 和光固化 (SLA，stereolithography)。激光辅助式打印采用激光代替喷墨打印中的加热或压电，聚焦在覆盖在含细胞的生物材料表面的“吸收层”上的一点，形成空泡，将该点的材料连同细胞一起挤出，滴在下面的平台上。光固化是采用激光作为固化的诱因，在激光聚焦的点诱使光致固化的材料固化，从而形成特定结构。在此基础上，DLP（Digital light processing）采用印有特定图形的透光微阵列（digital micromirror array），进一步提升了打印的速度 （Ma et al, 2016）。激光式打印的主要缺点是成本较高，以及光致固化过程中可能造成的细胞损伤。

从现今的发展来看，生物3D打印技术的方向大致有二。一是多种材料的打印。随着组织工程对3D打印组织复杂程度的要求不断提高，单种材料的打印已经不能满足需求。多种材料的打印（热熔性支撑材料、含细胞水凝胶以及生物活性因子等）要求打印机具有多喷头、各自适用于不同性质材料且可以相互协同完成打印。二是多种技术的融合。如果不同打印策略的优势可以在同一台打印机中整合，那么对构造复杂人工组织器官将大有裨益。

参考文献

Murphy, S.V., Atala, A., 2014. Nat. Biotech. 32, 773–785.

Ozbolat, I.T. et al., 2016. Drug Discovery Today 21, 1257–1271.

Wilson, W.C., Boland, T., 2003. Anat. Rec. 272A, 491–496.

Ma, X. et al., 2016. PNAS 113, 2206–2211.