2024年4月4日，中国科学院深圳先进技术研究院医药所退行性中心阮长顺团队在Nature Communications在线发表题为“Gradient matters via filament diameter-adjustable 3D printing”的研究性工作。该研究通过定制3D打印运动轨迹上的打印速度和打印高度，实现挤出3D打印纤维直径的精准控制，革新均匀纤维堆积的传统模式，实现梯度多孔结构的精准制造，为异质器官仿生构建提供新策略。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47360-y

挤出式3D打印为最常见的3D打印技术，具有高适用性，广泛应用于类器官体外制造与组织工程等前沿领域。然而，传统挤出3D打印采用平行切片方法，其在层内打印时保持恒定的打印速度V和打印高度H，沉积形成的纤维直径也保持恒定，严重限制了其设计制造复杂梯度多孔结构（如图1a,b）。为了突破传统3D打印策略的限制，研究团队基于体积守恒定律，通过定制运动轨迹上的打印速度和打印高度，实现各处纤维直径的精准控制，提出FDA-3DP（filament diameter-adjustable 3D printing）新策略（如图1c,d）。

图1. 传统3D打印策略vs. FDA-3DP（filament diameter-adjustable 3D printing）新策略。

为了证明该策略的有效性，研究团队在10mm尺寸的立方体内设计制造了水平梯度多孔结构（如图2）。通过将打印轨迹与目标梯度相融合实现可控直径纤维的单层定制，并为了避免潜在的局部塌陷，提出固定直径纤维补偿机制（如图2f-i）。进而搭建“设计-制造”工作流程，重写制造代码G-codes，实现梯度多孔结构的挤出3D打印制造。Micro-CT重建数据证明通过该策略制造的水平梯度多孔结构与设计梯度模型的孔尺寸分布存在一致性（如图1d-iv）。

图2. FDA-3DP新策略设计和制造梯度多孔结构。

我们提出的FDA-3DP新策略突破了传统挤出3D打印技术难以加工复杂梯度多孔结构的难题，在组织工程与器官体外仿生制造（如骨、软骨、血管）、4D打印等应用场景进行了验证（如图3），有望为器官仿生构建提供新策略。

图3. FDA-3DP应用探索。

中国科学院深圳先进技术研究院阮长顺研究员和哈尔滨工业大学韩振宇教授为论文共同通讯作者，课题组屈华伟博士后/助理研究员为论文第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院潘浩波研究员、吕维加研究员和刘志远研究员对文章工作中做出重要贡献，课题组刘开政副研究员和高崇健硕士参与论文部分研究工作。该研究获得国家自然科学基金委优青及面上项目、中国科学院青年创新促进委员会优秀会员、博士后面上项目等多个基金的支持。