来源：源正生物
增材制造是构建生物医学用复杂结构的工程工具，可用于组织工程支架、再生医学载体及药物筛选用体外疾病模型。其中， 数字光处理（DLP）、体积增材制造（VAM） 等光刻基技术，通过光反应树脂的空间交联，实现水凝胶的高精度 3D 加工。
本综述系统介绍光刻基水凝胶 3D
打印方法，提供从树脂选择到打印参数优化的完整指南，重点突出其在体内外生物医学应用中的实例，探讨多尺度异质结构的构建策略。核心优势包括：分辨率高（≤50
μm）、打印速度快（秒至分钟级）、可精准调控水凝胶的结构、生化及生物物理特性。
当前挑战集中在树脂库有限、高精度打印难度大、规模化与商业化障碍等方面，未来需通过开发新型光化学树脂、整合多技术手段、完善监管规范，推动其临床转化。
关键技术：光刻基 3D 打印方法对比
光刻基 3D 打印（光固化成型）依赖光引发树脂交联，主要包括三种核心方法，各有适配场景：
1. 三种核心方法特性对比（表 1）
△表 1 Vat photopolymerization methods（表 1 光固化成型方法的树脂要求与打印特性）
2. 主流方法详解
（1）数字光处理（DLP）
通俗原理：像 “分层曝光显影”，通过数字微镜器件投射图案化光，逐层固化液态树脂形成 3D 结构（专业原理：光引发剂吸收特定波长光（365 nm 紫外 / 405 nm 可见光），引发单体 / 大分子交联，层间精准叠加构建立体结构）；
关键优化：连续液面成型（CLIP）利用氧抑制形成 “死区”，消除层叠效应，打印速度超 50 cm/h；浮力辅助 DLP 适合软质水凝胶打印，避免结构坍塌。
（2）体积增材制造（VAM）
通俗原理：“3D 全息曝光”，同步旋转树脂槽与投影切片图像，全方位累积光剂量实现体积固化（专业原理：类似 3D 相干断层成像，树脂需高光学透明度，避免光散射，单次曝光完成整体固化）；
关键优化：螺旋体积制造可实现厘米级结构打印，无需放大投影图像；序贯校正技术修正过固化 / 欠固化缺陷。
核心要素：树脂与打印参数
1. 树脂配方关键参数
单体 / 大分子化学：链增长聚合（丙烯酸酯 > 丙烯酰胺 > 甲基丙烯酸酯）反应快，步增长聚合（巯基 - 烯反应）网络更均匀，氧不敏感；
粘度：DLP 适配低粘度树脂（<100 mPa・s），避免层间剥离；VAM 需高粘度树脂（≥10,000 mPa・s），稳定打印过程；
光引发剂：细胞负载场景常用低细胞毒性类型，如 LAP（苯基 (2,4,6 - 三甲基苯甲酰基) 膦酸锂），浓度≤34 mM；
光吸收剂 / 光抑制剂：酒石黄（0.5-2.5 mM）可控制固化深度，避免过固化；TEMPO 作为自由基淬灭剂，调控聚合速率。
2. 主流方法详解
（1）数字光处理（DLP）
通俗原理：像 “分层曝光显影”，通过数字微镜器件投射图案化光，逐层固化液态树脂形成 3D 结构（专业原理：光引发剂吸收特定波长光（365 nm 紫外 / 405 nm 可见光），引发单体 / 大分子交联，层间精准叠加构建立体结构）；
关键优化：连续液面成型（CLIP）利用氧抑制形成 “死区”，消除层叠效应，打印速度超 50 cm/h；浮力辅助 DLP 适合软质水凝胶打印，避免结构坍塌。
（2）体积增材制造（VAM）
通俗原理：“3D 全息曝光”，同步旋转树脂槽与投影切片图像，全方位累积光剂量实现体积固化（专业原理：类似 3D 相干断层成像，树脂需高光学透明度，避免光散射，单次曝光完成整体固化）；
关键优化：螺旋体积制造可实现厘米级结构打印，无需放大投影图像；序贯校正技术修正过固化 / 欠固化缺陷。
核心要素：树脂与打印参数
1. 树脂配方关键参数
单体 / 大分子化学：链增长聚合（丙烯酸酯 > 丙烯酰胺 > 甲基丙烯酸酯）反应快，步增长聚合（巯基 - 烯反应）网络更均匀，氧不敏感；
粘度：DLP 适配低粘度树脂（<100 mPa・s），避免层间剥离；VAM 需高粘度树脂（≥10,000 mPa・s），稳定打印过程；
光引发剂：细胞负载场景常用低细胞毒性类型，如 LAP（苯基 (2,4,6 - 三甲基苯甲酰基) 膦酸锂），浓度≤34 mM；
光吸收剂 / 光抑制剂：酒石黄（0.5-2.5 mM）可控制固化深度，避免过固化；TEMPO 作为自由基淬灭剂，调控聚合速率。
图 1 Resin and print parameters that influence vat photopolymerization（图 1 影响光固化成型的树脂与打印参数：a. 树脂配方特性；b. 树脂光学特性；c. 打印参数（光剂量、层厚））
2. 关键打印参数
光剂量：通过曝光时间（基础层曝光能量为主体层的 2-3 倍）和光强调控，需满足 Jacob 方程（Cd=Dp ln (E/Ec)），其中 Cd 为固化深度，Dp 为光穿透深度，E 为照射能量，Ec 为凝胶化临界能量；
层厚：20-200 μm，需与光穿透深度匹配，避免层间剥离；
氧抑制：通过惰性环境、脱气处理或氧清除剂缓解，CLIP/VAM 中可利用氧抑制实现连续固化。
DLP 打印 step-by-step 指南
1. 树脂配方
选择聚合物：天然聚合物（明胶、透明质酸）生物相容性好，合成聚合物（聚乙二醇、聚丙烯酰胺）力学可调，需修饰光反应基团（丙烯酸酯、降冰片烯）；
优化光学特性：添加光引发剂（LAP）、光吸收剂（酒石黄），高细胞密度场景加入折射率匹配剂（碘克沙醇，20-35 wt%），减少光散射。
2. 工作曲线与分辨率优化
测定固化深度与光剂量的关系，确定最优曝光条件（避免过固化 / 欠固化）；
利用共聚焦成像 / 表面轮廓仪表征固化深度，通过调整光吸收剂浓度优化分辨率。
3. 3D 打印与后固化
切片设计：将 CAD 模型切片为 2D 图像，设置层厚、打印速度（低粘度树脂建议低速，避免层间剥离）；
后固化：光固化（紫外 / 可见光）或热固化提升力学强度，CLEAR 技术（光聚合 + 氧化还原暗聚合）无需额外能量，提升单体转化率。
2. 关键打印参数
光剂量：通过曝光时间（基础层曝光能量为主体层的 2-3 倍）和光强调控，需满足 Jacob 方程（Cd=Dp ln (E/Ec)），其中 Cd 为固化深度，Dp 为光穿透深度，E 为照射能量，Ec 为凝胶化临界能量；
层厚：20-200 μm，需与光穿透深度匹配，避免层间剥离；
氧抑制：通过惰性环境、脱气处理或氧清除剂缓解，CLIP/VAM 中可利用氧抑制实现连续固化。
DLP 打印 step-by-step 指南
1. 树脂配方
选择聚合物：天然聚合物（明胶、透明质酸）生物相容性好，合成聚合物（聚乙二醇、聚丙烯酰胺）力学可调，需修饰光反应基团（丙烯酸酯、降冰片烯）；
优化光学特性：添加光引发剂（LAP）、光吸收剂（酒石黄），高细胞密度场景加入折射率匹配剂（碘克沙醇，20-35 wt%），减少光散射。
2. 工作曲线与分辨率优化
测定固化深度与光剂量的关系，确定最优曝光条件（避免过固化 / 欠固化）；
利用共聚焦成像 / 表面轮廓仪表征固化深度，通过调整光吸收剂浓度优化分辨率。
3. 3D 打印与后固化
切片设计：将 CAD 模型切片为 2D 图像，设置层厚、打印速度（低粘度树脂建议低速，避免层间剥离）；
后固化：光固化（紫外 / 可见光）或热固化提升力学强度，CLEAR 技术（光聚合 + 氧化还原暗聚合）无需额外能量，提升单体转化率。
图 2 Stepwise guide to digital light processing of hydrogels（图 2 DLP 水凝胶打印步骤：1. 聚合物选择；2. 光学特性调控；3. 工作曲线测定与分辨率优化；4.3D 打印；5. 后固化）
核心应用：从组织工程到体外模型
1. 组织工程与再生医学
典型案例：DLP 打印明胶 - 甲基丙烯酰胺（GelMA）- 血小板 - rich 血浆（PRP）水凝胶，修复兔骨软骨缺损；VAM 打印肝细胞聚集体与微通道网络，提升大鼠慢性肝损伤移植存活率；
关键优势：精准构建血管化结构（如预血管化水凝胶在体内实现血管吻合）、调控孔隙率（通过 CAD 设计或乳液模板法），促进细胞浸润。
2. 体外疾病模型与药物筛选
典型案例：DLP 打印肝小叶样结构，模拟药物代谢与毒性；VAM 打印肝癌类器官晶格，实现化疗药物敏感性筛选；
核心价值：复刻天然组织异质性（如心肌、肺泡结构），替代 2D 细胞培养与动物模型，降低药物研发成本。
3. 其他应用
个性化医疗：基于 MRI/CT 数据打印患者特异性修复支架（如人工气管、脊柱修复支架）；
4D 打印：温度 /pH 响应水凝胶，用于微创植入（经导管递送后形状恢复）、软机器人执行器。
核心应用：从组织工程到体外模型
1. 组织工程与再生医学
典型案例：DLP 打印明胶 - 甲基丙烯酰胺（GelMA）- 血小板 - rich 血浆（PRP）水凝胶，修复兔骨软骨缺损；VAM 打印肝细胞聚集体与微通道网络，提升大鼠慢性肝损伤移植存活率；
关键优势：精准构建血管化结构（如预血管化水凝胶在体内实现血管吻合）、调控孔隙率（通过 CAD 设计或乳液模板法），促进细胞浸润。
2. 体外疾病模型与药物筛选
典型案例：DLP 打印肝小叶样结构，模拟药物代谢与毒性；VAM 打印肝癌类器官晶格，实现化疗药物敏感性筛选；
核心价值：复刻天然组织异质性（如心肌、肺泡结构），替代 2D 细胞培养与动物模型，降低药物研发成本。
3. 其他应用
个性化医疗：基于 MRI/CT 数据打印患者特异性修复支架（如人工气管、脊柱修复支架）；
4D 打印：温度 /pH 响应水凝胶，用于微创植入（经导管递送后形状恢复）、软机器人执行器。
图 3 Applications of lithography-based 3D printing
of hydrogels（图 3 光刻基水凝胶 3D 打印的应用：a. 组织工程与再生医学（组织修复、个性化生物材料等）；b.3D
体外模型（疾病建模、药物筛选等））
结构复杂性提升策略
1. 多材料打印
打印 - 暂停 - 打印法：切换树脂槽实现多材料层叠；微流控动态流体控制实现树脂成分梯度；
优势：构建软硬相间结构（如骨 - 肌腱界面），模拟天然组织异质性。
2. 多技术融合
DLP + 熔融电纺：电纺纤维增强水凝胶力学性能，模拟肾小囊、肠道血管结构；
体积打印 + 双光子消融：实现微米级毛细血管（2 μm）构建，提升血管化效率。
3. 后功能化与 4D 打印
生化修饰：巯基 - 烯点击化学定点固定生长因子（如 VEGF），促进内皮细胞成管；
动态响应：温度响应水凝胶（N - 异丙基丙烯酰胺）实现 “自主排汗”，pH 响应水凝胶用于药物可控释放。
结构复杂性提升策略
1. 多材料打印
打印 - 暂停 - 打印法：切换树脂槽实现多材料层叠；微流控动态流体控制实现树脂成分梯度；
优势：构建软硬相间结构（如骨 - 肌腱界面），模拟天然组织异质性。
2. 多技术融合
DLP + 熔融电纺：电纺纤维增强水凝胶力学性能，模拟肾小囊、肠道血管结构；
体积打印 + 双光子消融：实现微米级毛细血管（2 μm）构建，提升血管化效率。
3. 后功能化与 4D 打印
生化修饰：巯基 - 烯点击化学定点固定生长因子（如 VEGF），促进内皮细胞成管；
动态响应：温度响应水凝胶（N - 异丙基丙烯酰胺）实现 “自主排汗”，pH 响应水凝胶用于药物可控释放。
图 4 Enhancing the complexity of 3D-printed
hydrogels（图 4 提升 3D 打印水凝胶复杂性的策略：a. 多材料打印；b. 多生物制造技术融合；c. 后打印功能化；d.
灰度投影；e. 多波长打印；f.4D 响应）
未来展望与挑战
1. 核心挑战
树脂库局限：现有树脂以（甲基）丙烯酸酯类为主，需开发新型光化学树脂（如光介导叠氮 - 炔环加成）；
精准打印：高细胞密度（>10⁸ cells/mL）与血管化构建仍需优化；
商业化障碍：规模化生产、质量控制、监管规范不完善。
2. 发展方向
树脂创新：开发动态共价键水凝胶（二硫键、硼酸盐酯），实现自修复与重塑；
技术融合：结合合成生物学，打印基因工程细胞负载水凝胶，构建 “工程化活体材料”；
临床转化：推进床旁个性化植入物打印，开发无小分子光引发剂的生物相容性树脂。
文献基础信息
原文标题：Lithography-based 3D printing of hydrogels（光刻基水凝胶 3D 打印）
作者：Abhishek P. Dhand、Matthew D. Davidson、Jason A. Burdick*
作者单位：宾夕法尼亚大学生物工程系；科罗拉多大学生物前沿研究所、化学与生物工程系
期刊：Nature Reviews Bioengineering（2025 年，第 3 卷）
DOI：https://doi.org/10.1038/s44222-024-00251-9
通讯作者邮箱：jason.burdick@colorado.edu
未来展望与挑战
1. 核心挑战
树脂库局限：现有树脂以（甲基）丙烯酸酯类为主，需开发新型光化学树脂（如光介导叠氮 - 炔环加成）；
精准打印：高细胞密度（>10⁸ cells/mL）与血管化构建仍需优化；
商业化障碍：规模化生产、质量控制、监管规范不完善。
2. 发展方向
树脂创新：开发动态共价键水凝胶（二硫键、硼酸盐酯），实现自修复与重塑；
技术融合：结合合成生物学，打印基因工程细胞负载水凝胶，构建 “工程化活体材料”；
临床转化：推进床旁个性化植入物打印，开发无小分子光引发剂的生物相容性树脂。
文献基础信息
原文标题：Lithography-based 3D printing of hydrogels（光刻基水凝胶 3D 打印）
作者：Abhishek P. Dhand、Matthew D. Davidson、Jason A. Burdick*
作者单位：宾夕法尼亚大学生物工程系；科罗拉多大学生物前沿研究所、化学与生物工程系
期刊：Nature Reviews Bioengineering（2025 年，第 3 卷）
DOI：https://doi.org/10.1038/s44222-024-00251-9
通讯作者邮箱：jason.burdick@colorado.edu
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