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具有高適用性的擠出3D打印技術廣泛應用于類器官生物制造、組織工程等領域。然而，傳統擠出3D打印在墨水沉積軌跡上只可生產固定直徑纖維，限制其難以設計制造復雜梯度多孔結構。
近日，中國科學院深圳先進技術研究院阮長順研究員團隊聯合哈爾濱工大學韓振宇教授團隊，醫工交叉與融合，提出了變纖維直徑3D打印技術，為仿生梯度結構構建提供新思路，相關成果發表在Nature Communications期刊，題為“Gradient matters via filament diameter-adjustable 3D printing”。該研究通過定制3D打印運動軌跡上的打印速度和打印高度，實現擠出3D打印纖維直徑的精準控制，革新均勻纖維堆積的傳統模式，實現梯度多孔結構的精準制造，為異質器官仿生構建提供新策略。
傳統擠出3D打印采用平行切片方法，其在層內打印時保持恒定的打印速度V和打印高度H，沉積形成的纖維直徑也保持恒定（如圖1a,b）。盡管傳統3D打印策略被普遍接受并已成為制造均勻多孔結構的黃金標準，但固定的打印參數和恒定的纖維直徑限制了其設計制造復雜梯度多孔結構。為突破傳統3D打印策略的限制，研究團隊基于體積守恒定律，通過定制運動軌跡上的打印速度和打印高度，實現各處纖維直徑的精準控制，提出FDA-3DP（filament diameter-adjustable 3D printing）新策略（如圖1c,d）。傳統策略與FDA-3DP新策略所制造多孔梯度結構的最終效果，如視頻1中的Micro-CT數據所示。
圖1. 傳統3D打印策略vs. FDA-3DP（filament diameter-adjustable 3D printing）新策略。
視頻1
FDA-3DP策略的關鍵參數為打印速度V和打印高度H。打印速度控制打印軌跡上所沉積纖維的直徑，打印高度控制沉積纖維的質量和線性度（如圖2）。打印速度過慢會造成墨水堆積嚴重，打印高度過高將發生卷繩效應。
圖2. FDA-3DP新策略的關鍵參數。
圖3. 通過FDA-3DP新策略設計和制造水平梯度多孔結構。
視頻2
進一步，為了展示FDA-3DP策略的普適應，我們設計制造了軸向和包括點、線、面、體的徑向梯度多孔結構，如圖4所示。
圖4. 設計、制造和評估軸向和徑向梯度多孔結構。
為了探索展示FDA-3DP新策略的更深應用，我們設計制造了內嵌HIT字母（哈爾濱工業大學的首字母，Harbin Institute of Technology）的多孔梯度結構。結果顯示HIT字母分別完成了在長方體內部的完全貫穿、居中隱藏和居中隱藏并逆時針旋轉45°分布（如圖5a）。此外，我們還在立方體內鑲嵌V字母，探索了FDA-3DP策略在超結構領域定制局部力學性能的潛在應用（如圖5b-d）。
圖5. 高度可調孔尺寸的梯度結構（內嵌HIT字母和V字母）。
我們提出的FDA-3DP新策略突破了傳統擠出3D打印技術難以加工復雜梯度多孔結構的難題，探索了其在組織工程與仿生器官制造（如骨、軟骨、血管）、4D打印等領域的應用可行性（如圖6）。
圖6. FDA-3DP新策略應用探索。
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