3d打印的DeSimone实验室标志以巴基球几何形状为特色，展示了r2rCLIP系统具有生产具有微米尺度特征的复杂，不可成型形状的能力。资料来源:DeSimone研究小组，SEM由斯坦福纳米共享设施提供

一种微型3D打印的新工艺可以创造几乎任何形状的颗粒，用于医学、制造、研究等领域，每天可生产多达100万个颗粒。

3d打印的微观颗粒非常小，肉眼看起来就像灰尘，在药物和疫苗输送、微电子、微流体和复杂制造的磨料中都有应用。然而，需要在光传输，舞台运动和树脂性能之间进行精确协调，使得这种定制微尺度颗粒的可扩展制造具有挑战性。现在，斯坦福大学的研究人员推出了一种更有效的处理技术，每天可以打印多达100万个非常详细和可定制的微型颗粒。

斯坦福大学DeSimone实验室的博士候选人Jason Kronenfeld说:“我们现在可以在微观尺度上创造出更复杂的形状，速度是以前没有在粒子制造中表现出来的，而且材料范围很广。”他是今天发表在《自然》杂志上的详细介绍这一过程的论文的主要作者。

这项工作建立在一种被称为连续液体界面生产(CLIP)的打印技术的基础上，该技术由DeSimone及其同事于2015年推出。CLIP使用紫外线，投射成薄片，将树脂快速固化成所需的形状。这项技术依赖于紫外线投影仪上方的透氧窗口。这就形成了一个“死区”，防止液体树脂固化并粘在窗户上。因此，无需从窗口撕裂每一层，就可以固化精细的特征，从而实现更快的颗粒打印。

“利用光来制造没有模具的物体，在粒子世界开辟了一个全新的视野，”斯坦福大学医学院转化医学教授、该论文的通讯作者约瑟夫·德西蒙(Joseph DeSimone)说。“我们认为，以一种可扩展的方式进行这项研究，将为利用这些粒子推动未来行业的发展创造机会。我们很高兴看到这将带来什么，以及其他人可以利用这些想法来实现自己的愿望。”

滚到滚

这些研究人员发明的用于批量生产比人类头发宽度还小的独特形状颗粒的工艺让人想起装配线。它开始与胶卷，是仔细的张力，然后发送到剪辑打印机。在打印机上，数百个形状被一次打印到胶片上，然后装配线沿着清洗、固化和去除形状移动——这些步骤都可以根据所涉及的形状和材料进行定制。最后，空薄膜被卷起来，整个过程被称为卷对卷CLIP或r2rCLIP。在r2rCLIP之前，一批打印的颗粒需要手工处理，这是一个缓慢且劳动密集型的过程。r2rCLIP的自动化现在可以实现前所未有的每天高达100万个颗粒的制造速度。

如果这听起来像一个熟悉的制造业形式，那是有意为之。

“你不会买你自己做不到的东西，”DeSimone说，他也是工程学院的化学工程教授。“大多数研究人员使用的工具是制作原型和测试平台的工具，以及证明重要观点的工具。我的实验室研究的是转化制造科学——我们开发的工具能够实现规模化。这是一个很好的例子，说明这种专注对我们意味着什么。”

3D打印的分辨率与速度之间存在权衡。例如，其他3D打印工艺可以打印更小的——在纳米尺度上——但速度较慢。当然，宏观上的3D打印已经在大规模制造中站稳了脚跟，以鞋子、家居用品、机器零件、足球头盔、假牙、助听器等的形式出现。这项工作解决了这些世界之间的机会。

“我们在速度和分辨率之间找到了精确的平衡，”Kronenfeld说。“我们的方法能够产生高分辨率的输出，同时保持所需的制造速度，以满足专家认为各种应用所必需的粒子产量。具有潜在转化影响的技术必须能够从研究实验室规模适用于工业生产。”

软硬兼施

研究人员希望r2rCLIP工艺能被其他研究人员和行业广泛采用。除此之外，DeSimone认为，3D打印作为一个领域正在迅速发展，过去的问题是关于过程的，现在是关于可能性的雄心壮志。

“r2rCLIP是一项基础技术，”DeSimone说。“但我确实相信，我们现在正在进入一个更关注3D产品本身而不是制作过程的世界。这些过程显然变得有价值和有用。现在的问题是:哪些是高价值的应用?”

对于他们来说，研究人员已经尝试生产出由陶瓷和水凝胶制成的硬颗粒和软颗粒。前者可用于微电子制造业，后者可用于体内药物输送。

DeSimone实验室的高级研究科学家、该论文的合著者Maria Dulay说:“有广泛的应用，我们才刚刚开始探索它们。”“我们在这项技术上取得了非凡的成就。”

参考:“卷对卷，形状特定粒子的高分辨率3D打印”由Jason M. Kronenfeld, Lukas Rother, Max A. Saccone, Maria T. Dulay和Joseph M. DeSimone, 2024年3月13日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 024 - 07061 - 4

Additio最后的共同作者是卢卡斯·罗瑟(Lukas Rother)和马克斯·萨克内(Max Saccone)，前者是研究这项工作时的访问硕士研究生，后者是化学工程和放射学的博士后学者。DeSimone还是人文与科学学院的化学教授，工程学院的材料科学与工程教授，以及商业研究生院的运营、信息与技术教授。他是斯坦福Bio-X、吴仔人类绩效联盟和斯坦福癌症研究所的成员，也是Sarafan ChEM-H的教员研究员，斯坦福癌症早期检测金丝雀中心的联合主任，斯坦福大学stem指导中心的创始教员主任。

这项研究的部分资金由比尔及梅琳达·盖茨基金会和国家基金会提供国家科学基金研究生研究奖学金计划。这项工作的一部分是在斯坦福纳米共享设施中完成的，由国家实验室支持国家科学基金会。