容積式列印（Volumetric Printing）作為一種新興的3D列印技術，近年來備受關注。相較於傳統的逐層堆疊式列印，容積式列印能夠在短時間內創建出複雜的3D結構，尤其在生物醫學領域，例如組織工程、藥物釋放系統和客製化醫療器材等方面，具有巨大的潛力。然而，傳統容積式列印技術在穿透深度和材料選擇上存在限制。近期，一種基於超音波技術的容積式列印方法正在革新這一領域，為深層穿透和更廣泛的材料應用開啟了新的可能性。

傳統容積式列印的局限性

傳統的容積式列印通常使用光敏樹脂，透過將光線投射到旋轉的樹脂槽中，使樹脂在特定區域固化，從而形成3D物體。這種方法速度快，精度高，但存在一些固有的局限性：

穿透深度有限：

光線在樹脂中的穿透深度受到散射和吸收的影響，難以創建大型或緻密的結構。光線穿透深度不足導致列印物體尺寸受限，無法應用於需要深層結構的生物醫學應用，例如大型器官模型或複雜的組織支架。

材料選擇受限：

傳統容積式列印主要使用光敏樹脂，而生物相容性或生物可降解的光敏樹脂種類有限。這限制了其在生物醫學領域的應用，因為許多生物應用需要使用特定的生物材料，例如膠原蛋白、明膠或聚乳酸（PLA）。

散射問題：

光線在介質中的散射會降低列印精度，尤其是在列印複雜結構時，散射會導致細節模糊，影響最終產品的品質。

超音波容積式列印：突破深度與材料限制

為了克服傳統容積式列印的局限性，研究人員開發了一種基於超音波技術的容積式列印方法。這種方法利用超音波在介質中產生的聲壓來控制微粒或液滴的運動和聚集，從而創建3D結構。

超音波容積式列印的原理

超音波容積式列印的基本原理是利用聲輻射力（Acoustic Radiation Force，ARF）。當超音波通過介質時，會對介質中的微粒產生作用力，使其朝向聲壓的節點或波腹移動。透過精確控制超音波的頻率、振幅和相位，可以控制微粒在三維空間中的位置，從而構建出所需的3D結構。

超音波容積式列印的優勢

相較於傳統的光學容積式列印，超音波容積式列印具有以下顯著優勢：

深層穿透能力：

超音波在介質中的穿透深度遠大於光線，可以創建大型或緻密的結構。這使得超音波容積式列印能夠應用於需要深層結構的生物醫學應用，例如大型器官模型或複雜的組織支架。

材料選擇廣泛：

超音波容積式列印不依賴於光敏材料，可以使用各種材料，包括生物相容性材料、生物可降解材料和細胞。這極大地擴展了其在生物醫學領域的應用範圍，例如可以使用膠原蛋白、明膠或聚乳酸（PLA）等生物材料來構建組織工程支架。

更高的生物相容性：

超音波對生物組織的損傷較小，可以實現在細胞或生物組織中的直接列印。這為創建具有複雜微環境的組織模型提供了可能，有助於研究細胞行為和藥物反應。

無需光固化：

避免了光固化過程可能產生的毒性物質，進一步提高了生物相容性。

超音波容積式列印的應用

超音波容積式列印在生物醫學領域具有廣泛的應用前景：

組織工程：

可以使用超音波容積式列印來創建具有複雜微結構的組織支架，用於修復或替代受損的組織或器官。例如，可以列印具有血管網絡的肝臟組織支架，用於肝臟移植或藥物測試。

藥物釋放系統：

可以將藥物嵌入到超音波列印的微結構中，實現精確控制的藥物釋放。例如，可以列印具有特定釋放速率的藥物膠囊，用於治療慢性疾病。

客製化醫療器材：

可以根據患者的具體情況，使用超音波容積式列印來創建客製化的醫療器材，例如骨骼植入物或牙科植入物。* 生物感測器：

可以將生物感測元件整合到超音波列印的微結構中，創建高靈敏度的生物感測器，用於疾病診斷或環境監測。

細胞培養：

超音波容積式列印可以精確控制細胞的位置和排列，為細胞培養提供更優化的環境。這有助於研究細胞行為和藥物反應，加速新藥開發。

超音波容積式列印的挑戰與未來發展

儘管超音波容積式列印具有許多優勢，但仍面臨一些挑戰：

列印速度：

相較於傳統的容積式列印，超音波容積式列印的速度較慢。需要開發更高效的超音波控制方法，以提高列印速度。

列印精度：

超音波容積式列印的精度受到超音波頻率、振幅和相位控制的影響。需要開發更精確的超音波控制系統，以提高列印精度。

材料特性：

不同材料對超音波的響應不同，需要針對不同材料優化超音波列印參數。

大規模應用：

目前超音波容積式列印主要處於研究階段，需要開發更可靠、更易於使用的設備，以實現大規模應用。

未來，超音波容積式列印的研究方向包括：

多材料列印：

開發能夠同時列印多種材料的超音波容積式列印技術，以創建更複雜的3D結構。

生物活性材料列印：

開發能夠列印含有活性生物分子的材料的超音波容積式列印技術，以創建具有生物功能的組織支架或醫療器材。

原位列印：

開發能夠在生物體內直接進行列印的超音波容積式列印技術，以實現微創手術和組織修復。* 與其他技術結合：

將超音波容積式列印與其他技術結合，例如光學掃描、機器學習等，以提高列印精度和效率。

結論

超音波容積式列印作為一種新興的3D列印技術，具有深層穿透、材料選擇廣泛和生物相容性高等優勢，為生物醫學領域帶來了新的可能性。儘管目前仍面臨一些挑戰，但隨著技術的不斷發展，超音波容積式列印有望在組織工程、藥物釋放系統、客製化醫療器材和生物感測器等領域發揮重要作用，為人類健康帶來福祉。超音波容積式列印的發展，不僅僅是技術上的突破，更是對未來醫療模式的一種革新，它將推動個性化醫療和再生醫學的發展，為疾病治療和健康管理提供更精準、更有效的解決方案。隨著研究的深入和技術的成熟，我們有理由相信，超音波容積式列印將在生物醫學領域迎來更廣闊的發展前景。

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原始資料來源: GO-AI-6號機 Date: October 15, 2025