3D打印技术成果.pdf

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1、3D 打印技术最新成果 201 技术的进步无疑会让我们欣喜若狂;也正是因为技术的不断进步将我们带入了一个又一个“全新时代”.而 3D 打印在走过了荒蛮无知的发展期之后;已日渐被大众熟知.如今;3D 打印让我们的未来充满了无限的可能性;而且其技术水平仍在高速发展;永不止步.1 金属 3D 打印基础性研究获重大突破 日前;来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室 LLNL 的一个研究团队宣布;他们正在研究一项困扰着常见金属 3D 打印技术的重大问题.据悉;他们的发现将发表在 8 月份的 Acta Materialia;并有可能加快 3D 打印技术应用.当这个增材制造研究项目开始的时候;Mathews 就雄

2、心勃勃地期望获得开创性的成果.他说这项研究“力求在基于金属的增材制造领域进行前所未有的更多、更详细的实验研究.”而该研究团队即将发表的文章也代表了他们在预测和最小化金属增材制造零部件无效缺陷和表面粗糙度方面的最新见解.众所周知;在增材制造金属零部的过程中的快速加热和使用激光生成的高温能够提高零部件的强度;但是同样的工艺也可能导致空隙或毛孔;从而削弱该零部件.据了解;这些缺陷的主要原因是金属粉末的不完全融化;或者强烈的汽化所导致的“锁眼型”熔化.激光功率、光束尺寸、扫描速度和开口间距 hatch spacing这些统称为扫描策略;是用于确定最终的孔隙度和孔隙的存在的所有变量.与该研究相关的另外一

3、个研究项目LLNL 的金属增材制造加速认证项目负责人Wayne King 评论说：“如果我们想要将零部件投入关键应用;那么它们就必须符合质量标准.我们的项目主要专注于在科学的基础上发展对于增材制造过程的理解;从而建立增材制造零部件质量的可信度.”King 也是这一新论文的共同作者之一;并参与了该项目的算法开发以解决 3D 打印金属零部件的表面粗糙度、残余应力、孔隙和微裂缝等问题.这个项目是在 2015 年 3 月与通用电气 GE 合作开始的.America Makes 为此提供了54 万美元的资金并且设定了 18 个月的成果交付时间.GE 公司首席研究员 Bill Carter 证实;该算法项

4、目正在如期进行;其软件将会在今年 9 月提供给 America Makes 成员.一旦算法完成;他们将会在一种开源授权许可的条件之下将其公布出去.Matthews 预期这将导致增材制造行业的更大飞跃.最终完成的软件模型将能够全面评估金属粉末是如何形成一个熔池及其在固化之前的所有行为.King 说：“这些模型将使金属增材制造远离经验主义;并朝着更加科学的方向迈出一大步.他们还称;这项研究非常重要;因为对于构建空间内不断变化的环境条件的了解可以让系统获得对金属 3D 打印对象更精确的控制;从而可以实现耐用部件的可重复打印.2013 年 1 月 18 日北航王华明教授以钛合金大型复杂整体构件激光立体

5、成形技术研究的成就荣获国家技术发明一等奖;标志着中国 3D 打印技术在大型金属结构件直接制造方面已经取得重大技术突破;并且已经得到了国家层面的认可.金属 3D 打印技术集成了计算机辅助设计、计算机辅助制造、粉末冶金、激光加工等多项技术.基本原理是计算机辅助设计生成三维实体模型;高功率激光产生熔池;金属粉末被送入到熔池中凝固形成沉积层;在计算机控制下激光束和加工工作台按预设方式运动;层层堆积熔铸形成立体部件.通过选择合适的激光加工工艺窗口;可以对成形组织进行选择和控制;最终获得优于锻件的力学性能.激光 3D 打印技术可以用于工模具制造与修复、涡轮叶片修复、工件的快速原型制造.2 生物 3D 打印

6、 1 欧莱雅使用 3D 打印的人造皮肤来测试化妆品 将此项技术投入商用是令不少观察者惊讶的;不过这个新闻起码让动物保护者们又松了一口气.这是一次化妆品公司和硅谷的合作.欧莱雅美国和生物 3D 打印公司 Organovo 最近宣布;他们共同研发出了非常接近真实人体的皮肤组织;而欧莱雅要用它们来测试产品.Organovo 的技术主要是先建立特定组织的设计架构;然后再用“生物墨水”;其实也就是细胞来打印组织;这项技术还允许组织垂直打印并形成分层.据 Wired 报道;在和 Organovo 合作之前;欧莱雅其实已经有使用体外皮肤组织的业务了;但它依然选择尝试更新、更有效的技术;而且新技术还有可能降低

7、生物工程的成本.无论如何;欧莱雅的这项举动倒是会赢得不少动物保护者的好感;据欧莱雅科技孵化器全球副总裁 Guive Balooch 对女装日报表示：“很久以前;我们就不用动物做实验了;而是转用很多预测模型或是工程皮肤组织来测试.创意让我们能够测试更多不同的分子以及有毒成分的副作用;以保证安全和疗效.”2 生物打印笔 BioPen 问世 生物 3D 打印技术总是能让人拍手叫绝;无论是可以存活几十天的 3D打印大脑皮层组织;还是移植到老鼠身上的 3D 打印卵巢;往往让人感觉不可思议.近日;澳大利亚伍伦贡大学的研究人员们更是开发出了一种生物3D打印笔;简单说就是生物界的3Doodler.这只笔被称为

8、 BioPen生物笔;它的神奇之处在于;医生可以在手术过程中;直接拿着笔将细胞“画”在患者受损的骨头或者软骨组织上.这一切究竟是如何办到的呢 据了解;BioPen 内部装着含有干细胞的生物墨水;它们被裹在生物聚合物中;如褐藻胶一种海藻提取物;外部再由一层水凝胶保护着.这些墨水可以直接挤压在骨头上;再通过笔身的 UV 灯凝固;之后这些干细胞便会在人体内繁殖;与神经;肌肉;骨细胞分隔开来;最终形成组织.从某种程度上来说;该项研究对于修复软骨组织手术有着变革性影响;软骨组织损伤后;往往很难确定究竟要植入何种形状的人工软骨;而如今只需用 BioPen 将受损部位填满;软骨组织便可自行恢复.3 苏黎世联

9、邦理工学院成功打印人体器官 由世界着名理工大学苏黎世联邦理工学院 ETH Zrich 研发的最新 3D生物打印技术来帮助病人把外科移植手术的负面影响降到最低.主要是通过来自病人自身的细胞组织进行培养并 3D打印.Marcy Zenobi-Wong教授和她的团队利用该校健康科学与技术系的软骨组织工程和再生组织实验室的3D 生物打印技术;并通过生物聚合物和软骨细胞打造了一只耳朵和鼻子.该打印机拥有一个支持 8 根注射器的转轮;每根注射器都会装有相应的生物材料.工作人员通过计算机控制打印机;并根据系统操作在机床上一层层打印出一个软骨鼻子;这大概需要 16 分钟.而打印的材料首先在病人身上;比如膝盖或

10、者手指获取活体组织细胞;然后经过实验室的培养繁殖;这个过程中会添加一些生物高聚物;最后把这些材料放置到打印机的注射器中进行假体打印.实际上;在人体中移植这些假体后;人类的细胞组织会“吞噬”它;只会呈现出正常的轮廓.在几个月之后;无法区别植入与正常.需要提醒的是;在 3D 打印的假肢与身体吻合的地方会留下一些疤痕;因为需要做缝合.4 生物 3D 打印厚实血管组织 哈佛大学 John A.Paulson 工程与应用科学学院 SEAS 与哈佛 Wyss 生物工程研究所组成的一个科学家团队已经发明了一种方法;可以用人类干细胞、细胞外基质和内衬血管内皮细胞的循环通道 3D 打印出厚实的血管化组织构造.最

11、终形成的包含在深层组织内的血管网络能够使液体、营养物质和细胞生长因子均匀地灌注于整个组织.这项重大突破已经于 2016年3月7日发表在了 Proceedings of the National Academy of Sciences杂志上.到目前为止;科学家们在使用各种细胞类型构建更大的人体组织的道路上遇到的最大障碍是缺少可靠的方法将能够维持生命的血管网络嵌入组织内部.这也是 Lewis 及其团队此次研究成果的重大意义所在.据了解;在其之前工作的基础上;Lewis 她的团队将可 3D 打印的组织厚度增加了近10 倍;从而为下一步的组织工程与修复开辟了广阔的道路.该方法将血管管路与活细胞和细胞外

12、基质结合起来;使该结构能够像活体组织那样发挥作用.在研究中;Lewis 及其研究团队证明;他们 3D 生物打印的组织可以维持像活组织结构那样的功能超过六个星期 在研究中;Lewis 的团队展示了他们 3D 打印足有一厘米厚的组织的过程;该组织包含了人骨髓干细胞;这些干细胞被结缔组织包围着.为了展示该组织的功能;科学家们通过支持的血管系统注入了抽骨生长因子;然后在一个月内诱导干细胞发展为骨细胞.值得一提的是该血管系统内部拥有与真正的血管同样的内皮细胞.据了解;Lewis 教授全新的 3D 生物打印方法主要使用一种可自定义的 3D 打印硅胶模具来容纳和扶持打印的组织结构.在这种模具里;研究人员首先

13、打印出血管管路网格;然后再在上面打印含有活体干细胞的油墨.需要指出的是;这些油墨是可以自我支撑的;其强度足以在该结构尺寸随着逐层沉积而不断增长的过程中保持形状.在这个基础性血管网格内部的交叉路口;研究人员会打印血管立柱;这些血管网格相互连接;就在整个干细胞堆积的组织内部形成了一个无所不在的微血管网络.在打印之后;一种由成纤维细胞和细胞外基质组成的液体会填进 3D 打印组织周围的开放区域;交联其整个结构.5 科学家将 3D 打印卵巢植入小鼠并使其成功受孕 美国西北大学的科学家们使用一台 3D 打印机制造了一个人造卵巢;并将其植入一个原有卵巢已经被切除的小鼠;该小鼠后来成功受孕.科学家们在 201

14、6 年 4 月 2 日举办的内分泌学年会 ENDO 2016 上公布了此项研究成果.研究人员们希望能够利用该技术开发一个卵巢生物假体;并将其植入女性体内以恢复其生育能力.据了解;这项技术有可能会使那些在童年时期罹患癌症;并最终幸存下来的人受益;因为数据统计;这些人在长大后不孕的风险增加了.据估计每 250 个成年人中;就有一位是童年癌症的幸存者.研究人员们使用 3D 打印机打印出了一个生物支架来支持产生激素的细胞和成熟的卵细胞即卵母细胞.这种生物支架是用明胶一种来源于动物胶原蛋白的生物材料支撑的.科学家们在在制造该支架时采用了生物学原理;该支架既要有足够的刚性以便于在手术过程中的操作;又要为提

15、供足够的空间支持卵母细胞生长、血管形成和排卵.在使用人体细胞培养时;研究人员们确定了最佳的支架设计应该纵横交错;这样可以通过多点固定住细胞.该支架是用卵泡借种以生成生物假体的;所谓的卵泡是一个球形的组织;中间是卵母细胞;周围围着生成激素的细胞.6 科学家开发出能替代软骨的可 3D 打印生物玻璃 英国科学家开发出了一种材料;这种材料可以模仿软骨并有可能刺激它重新生长.软骨是位于关节和脊椎之间的一种柔软的缔结组织;这种组织受到损伤之后很难修复.来自伦敦帝国学院 Imperial College London和 Milano-Bicocca 大学的研究人员们已经开发出一种生物玻璃材料可以模拟真正软骨

16、组织的减震和承重性.它可以通过特定的配方来表现出不同的特性.科学家们希望能够用它来开发植入物以取代椎骨之间受损的软骨盘.研究人员还通过让生物玻璃制品在办公桌上弹跳展示了其减震特性;这种特性类似于软骨缓冲我们的骨头的方式.科学家们相信;它也有可能刺激膝盖的软骨细胞生长;这在以前是不可能通过传统的方式实现的.据了解;生物玻璃是由硅和一种叫做聚己内酯的聚合物组成的.它能够表现出类似软骨的属性;包括柔软、强韧、耐久而具弹性.它可以通过一种可生物降解的墨水形式生成;使得研究人员可以将其 3D 打印成某种特定的结构以促进软骨细胞在关节内的形成和生长类似于它们在试管中所表现出的那样.7 新加坡开发释放速率可

17、控的 3D 打印药片 2015 年;美国制药公司 Aprecia 采用独特的层压技术 ZipDose 开发出了全球首款 3D 打印药物;用来治疗癫痫的药片 Spritam;从而开启了制药业的新篇章.该药物现已通过了 FDA 认证在美国正式开售了.新加坡国立大学 NUS 的科学家们在这方面取得了更大的突破他们同样 3D 打印出了剂量可控的药片;不过释放速率也可控.比起传统的批量生产药片;这种药片在针对不同患者时能发挥更好的疗效.这的确可以说是一项了不起的成就;因为当前的普通药片释放速率都是不可控的;只能维持在一个恒定值;所以患者就必需将一片药分成几片分次服用.这不但不方便;还会给药效跟踪带来困难

18、;尤其是对于同时服用多种药物的情况来说.另外;不同的临床诊断对药物释放速率的要求也不同;而对于患者来说;通常只有一小段的速率是合适的.不过现在;这些问题都被 NUS 的这种 3D 打印药片解决了.据了解;NUS 的药片之所以释放速率可控是应为他们给药物披上了一种由表面腐蚀聚合物构成的外壳.这种外壳可以通过 3D 打印技术做成各种形状;而这些形状能够决定释放速率;正是关键所在.理论上;这种方法可以实现任意的释放速率.8Techshot 宣称 2024 年将在太空活体心脏 这将是一个巨大的医学突破;并会改变等待心脏移植手术的患者的生活：3D 打印一颗人类的心脏.这件事听起来似乎很疯狂;但是来自美国

19、印第安纳州的一家名为 Techshot 的公司正在努力将它变成现实.据了解;Techshot 公司主要致力于为美国宇航局 NASA、国防部和其他组织开发尖端仪器.它是 John Vellinger 在 28 年前成立的;如今 Vellinger 是该公司的副总裁兼首席运营官.“如果一个年轻的孩子因为心脏缺陷需要做心脏移植手术的话;我们希望能够用他自己的干细胞制造出人类的心脏;然后植入他的体内;这个心脏就能够与孩子一起生长;从而可以消除异体心脏移植所具有的巨大风险.”Vellinger 解释说.但是;迄今为止;尽管 3D 打印技术已经经历了很长的路;我们能够看到各种各样的 3D 打印零件、产品、

20、玩具、植入物假体等;但是要打印出器官依然很难.为此;Techshot 别出心裁;正在与另外两家公司合作;希望能够在太空零重力状态下创建一颗人类的心脏.“目前人们在 3D 打印没有很多血管的骨组织方面取得了进展;但是真正的问题是血管;是如何让血管在组织内生长.”Boland 说.而且目前世界各地的科学家们都在尝试生物打印器官;但都没有取得突破.“真正的关键在于如何让细胞生长;由于地面上的重力问题;人们已经尝试了 10 到 15 年;一直不能实现血管化;只有血管化之后;细胞才能够在该结构中生长.”Vellinger 解释说.这就是为什么这支团队想到太空里试试.“重力是地面上的一个阻碍;在太空里由于

21、没有重力;就为制造一个更加完美的结构创造了机会.”Vellinger 说.最近;该研究团队把他们的设备带到了奥兰多和并成功地在零重力模拟器中对它进行了测试;之前我们也曾经报道过这件事.“我们在这个过程中实际上在用活的人类干细胞打印婴儿的心脏结构.我们下一步的计划是使用同一台机器;把它挂在一枚可以进入地球轨道的探空火箭上;再下一步我们将把这项技术放在国际空间站上.”Vellinger 说.科学家们希望;他们的设备能够在国际空间站上 3D 打印出首个人类心脏.“NASA 对这非常感兴趣.”Vellinger 说.Boland 说;第一次移植指日可待.“我们预测到 2024 年;我们将从太空带回一个

22、可移植的器官.”“随着各方面的技术逐步具备;再加上太空环境;我们认为这是一个取得重大突破的真正机会.”Vellinger 补充说.9 微观生物 3D 打印领域获新突破 英国谢菲尔德大学 University of Sheffield 的科学家们在开发可以在生物环境中安全地使用的蚕丝微型火箭上取得了重大突破.通过使用创新的3D 喷墨打印方法;该校的化学和生物工程研究人员在制造微观蚕丝游泳装置方面向前迈出了一大步.据了解;这种蚕丝装置可降解;而且对其所处的生物环境完全无害.这意味着;这些装置将来可能在被用于人体内部的一些应用当中;比如传递药物和定位癌细胞等.而且;这一新技术使得研究人员可以使用安全、无毒的材料;即意味着该微型火箭不会对任何活组织或生物环境造成伤害或损害.这是一项重大突破;因为在此之前;这样的装置往往成本高昂;而且制造起来非常复杂;它们往往是用聚苯乙烯微球、纳米碳管或金属制成;其表面还必须覆盖一层催化剂层例如铂;以便于能够成功地游动;但是这些装置往往对它们所处的生物环境并不友好.而谢菲尔德大学的科学家们这次 3D 打印的蚕丝火箭长度仅有 300 微米;直径 100 微米;仅相当于人类的一根头发丝的厚度;有趣的是;这种微型蚕丝火箭能够在其所处的生物液体环境中获得推动其前进的燃料.