美国东北大学教授使用3D生物打印研究血管疾病(3D打印会有多少可能)

美国东北大学教授使用3D生物打印研究血管疾病

新晋美国东北大学生物工程系教授戴国浩（音译，Guohao Dai）是雄心勃勃，富有创新精神的人，致力于推进3D生物打印革新现代医学治疗。具体来说，Dai主攻3D生物打印活组织，用于探索血管再生，进一步治疗血管疾病。血管疾病，包括诸如动脉瘤（aneurysms），雷诺氏综合征（Raynaud's Syndrome）和淋巴水肿（lymphedema）之类的疾病，是由血管的异常状况引起的，仅仅在美国就有数百万人深受此类疾病的困扰。生物工程系戴副教授，希望通过他特别设计的3D生物打印机来推进血管疾病的治疗。

新晋美国东北大学生物工程系教授戴国浩（音译，Guohao Dai）是雄心勃勃，富有创新精神的人，致力于推进3D生物打印革新现代医学治疗。具体来说，Dai主攻3D生物打印活组织，用于探索血管再生，进一步治疗血管疾病。血管疾病，包括诸如动脉瘤（aneurysms），雷诺氏综合征（Raynaud's Syndrome）和淋巴水肿（lymphedema）之类的疾病，是由血管的异常状况引起的，仅仅在美国就有数百万人深受此类疾病的困扰。生物工程系戴副教授，希望通过他特别设计的3D生物打印机来推进血管疾病的治疗。

众所周知，常规的台式乃至工业3D打印机并不能用于3D生物打印，因为有机材料对于"粗鲁"的机器来说太"脆弱"。3D生物打印机必须非常"精致"。正如Dai解释说："需要一个非常温和的过程来构建活组织。如果我们使用工业3D打印机打印活组织，细胞根本无法存活。"

为了克服这一挑战，Dai开发了自己的3D生物打印机和附带的软件，能够打印培养的组织，可用于人类疾病建模和药物发现。由于自己的研究重点是血管和血管再生，研究人员已经使用他的机器，小通道3D打印具血管功能的组织。虽然Dai还不能3D打印人体组织，但他相信他目前的工作是业内领先的。 "只差在组织中加入血流这一步了，"他说。

到目前为止，Dai的3D生物打印项目已经获得了很多支持，因为旨在推进血管领域的干细胞研究，在2014年获得了国家科学基金会CAREER奖，并获得国家卫生研究院（NIH）和美国心脏协会资助。Dai的最终目的是希望开发一种创新的方法来治疗和探索血管和血管相关的疾病。

3D打印会有多少可能

图为位于宁夏银川的世界首个万吨级铸造3D打印成型智能工厂车间内景。（资料图片）

国内首家建筑3D打印展馆日前在广东正式启用。从外观上看，这栋双层建筑和普通的房子并无不同，但实际上，整栋楼没用一砖一瓦，全是用可黏合混合材料打印而成。

如果拥有一台3D打印机，你能够制造什么？答案是：小到精密的零件、饼干、模具、衣服，大到医疗器械、工业装备甚至 汽车 、火箭、建筑……都可以制造出来。难怪有人会说，在未来，一台3D打印机几乎可以创造一个世界。

2018年，3D打印正式被纳入中国战略性新兴产业分类。作为新兴前沿技术，3D打印承载着未来制造的无限可能，也颠覆着传统制造业的思维形态。近年来，中国的3D打印技术快速发展，应用场景也越来越多，成为加快制造业转型升级的重要手段。

大同的云冈石窟被原样“搬”到千里之外的杭州

增材制造，俗称3D打印。不同于传统减材制造对原材料进行去除、切削的方式，增材制造是将特定材料通过层层叠加的方式来构造物体，在生物医药、航空航天、建筑等多个领域都能够大显身手。

扫描获取三维数据、通过电脑编程，将模型导入打印机，一个与真肺一模一样的肺部模型就可以从3D打印机里打印出来。今年6月，贵州省人民医院胸外科首次利用3D打印技术完成了三维模型下的精准肺段切除术。这一模型，不仅精准再现了病人肺部的病灶位置，甚至连每根血管都栩栩如生。

医疗器械、器官模型、可植入人体的仿生组织……3D打印擅长塑造各种细节的优势刚好满足了医学领域对各类模具的高标准需求。山西增材制造研究院院长宫涛表示，人工用钢铁、石膏等材质制造模具，产品在大规模生产前，还要多次打样和修改。而3D打印机直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，能较精准地塑造复杂精细的造型。

不仅是医疗，3D打印的这一特性，也很适合应用在文物复制和修护上。不久前，位于山西大同的云冈石窟被“搬”到了千里之外的浙江杭州。在浙江大学艺术与考古博物馆，全球首个可移动3D打印石窟——云冈石窟“音乐窟”原样再现了原洞窟的风采以及千余年来风化留下的细微痕迹。借助数字化采集，制造者对原洞窟进行了1 1复制，用轻型材料打印出110块模型，再像搭积木一样组装成现在的复制石窟。由于是复制品，参观者不仅可以身处其中细细观赏，还可以伸手触摸，可谓过足了瘾。

除了擅长精巧细微的“绣花功夫”，3D打印对于造桥建房这样的大工程也很拿手。

今年4月，在苏州河堤防改造项目中，3D打印技术被直接运用于工地施工过程。不用砌砖、无需浇筑，现场只有打印机喷头来回移动。高强度砂浆从喷头中一点点流出，按照设定好的程序塑造出富有江南特色的造型。

“3D打印可使建筑一次成型，节约建筑材料60%，同时建造过程中的工艺损耗也减少了。”中国建筑技术中心材料工程研究所所长助理霍亮表示，由于打印使用的是机械自动化操作，还能节省近一半的人力。

值得一提的是，在今年5月发射升空的我国新一代载人飞船试验船上，就搭载了一台“3D打印机”。这是我国首次在太空开展3D打印实验，打印材料是航空航天领域应用广泛的轻质高强材料——碳纤维增强复合材料。

目前，随着金属材质打印技术的突破，航空航天也成为3D打印最具前景的应用领域之一。不管是制造快速成型、单件定制的航天设备零部件，还是复杂结构件和大型异构件，3D打印都是理想的技术手段。而这次实验的成功，更让人们感受到，“太空制造”离我们也不再遥远。

过去几个月才能制成的砂模现在只需几小时

宁夏银川，世界首个万吨级铸造3D打印智能工厂的车间内，数台5米多高的白色铸造用砂芯3D打印机在智能流水线上有序工作。这些设备，全部为企业自主研发。

与传统的铸造车间相比，无吊车、无模型、无重体力、无温差、无废砂及粉尘排放成为这家工厂的鲜明特色。在这里，铸件生产变得快速而简单——过去需要几个月才能制成的砂模，现在只需几个小时。这些铸件不仅在国内销售，还远销海外。

工厂所属企业——共享装备股份有限公司3D打印事业部市场总监李哲表示，相较于传统加工制造，3D打印具有缩短生产流程、设计灵活、节约成本、降低制造难度等优势。这一技术的产业化应用对铸造行业的转型升级、铸造智能制造及未来铸造智能工厂的建设将产生变革性的意义。

不仅是共享装备，近年来，越来越多的制造企业开始采用3D打印进行零部件或整机生产。这一新兴技术，改变了传统制造的理念和模式。

近日，在哈电集团哈尔滨电机厂有限责任公司，国内首台增材制造冲击式水轮机真机转轮研制成功。如果该转轮在未来的电站使用中符合预期，则证明3D打印技术在制造冲击式转轮上具备可行性，为企业未来制造以往难以制造或无法制造的超小、超大型冲击式转轮提供一个解决方案。

依靠3D打印技术，过去需要4个月才能完成的转轮制造如今被缩短到3个月之内。

“传统铸造工艺制造转轮，工序繁多，参与的工种和工人也多。工人们劳动强度大不说，铸造后的转轮还容易有缺陷，精度差、加工余量大、产品质量与锻件差距也大。”程广福说，“尤其对于高品质的转轮，需要采用整个锻造圆形坯料，一点点地用数控机床将转轮加工出来，我们通常称为‘整抠’，从这个词就可以看到这种方式加工的难度有多大，周期有多长，相应成本也会非常高。而如今采用3D打印制造转轮，直接由三维模型到产品，省去了多个环节，加工量小，成本和周期也得以降低。”

未来3D打印将会像普通打印一样普及

“不管你想要什么，只需下载图纸，按下打印键就可以了，剩下的统统交给打印机。”这是一些人所畅想的未来场景。对此，不少业内人士表示，未来，要想实现更多的3D打印应用场景，关键在于材料，尤其是多元化打印材料的发展。

“巧妇难为无米之炊。材料科学是制造业的底层根基，3D打印的落地应用就是受限于材料的特性，导致成品率低等一系列问题。”清华大学建筑学院博士于雷表示，“材料的发展是3D打印发展的前提。就建筑领域来说，目前3D打印建筑被局限在使用混凝土材料上了，但是混凝土这种材料3D打印的灵活度并不高。”

在生物3D打印领域，材料创新的重要性更加突出，尤其是对于人体植入物。

羟基磷灰石是目前世界通用的仿人骨材料，但所用的酸性粘结剂却会给被植入患者带来术后痛苦。同时，由于人类骨骼内部结构复杂、密度不一，传统3D打印所用材料密度一致、粉体单一，无法实现仿生骨的打印需求。

为了能够制造一款最大程度接近人体骨骼性质的仿生骨，西北工业大学机电学院汪焰恩教授团队将羟基磷灰石、黏合剂、细胞液等按照不同个体的骨骼性质进行科学配比，形成一种更能被人体环境接受的打印材料。并研制了一套3D打印控制系统，实现了仿生骨打印所需要的结构复杂、密度不均、复合粉体等要求。这样打印出来的活性仿生骨与自然骨的成分、结构、力学性能高度一致，甚至可在生物体内“发育”。

汪焰恩教授表示，团队目前也掌握了3D打印软骨和皮肤的技术。下一步，他们将继续 探索 真皮层中汗腺、毛囊、皮脂腺等结构的稳定打印技术。

在芯片这样高精尖设备的打印制造上，新材料的突破也会带来更多的打印成果。上个月，西湖大学的周南嘉团队成功设计出全新的3D打印功能材料，以新材料为突破，实现了微米级别的电子3D打印。这是目前国内最高精度的电子3D打印技术。

山西增材制造研究院技术人员朱岳认为，如何研发出更多新材料，生产出质量更高的3D打印产品，是行业内的一大挑战。今年5月，朱岳团队自主研发出3D打印用光敏树脂正式投产，改变了过去这种3D打印原材料依赖国际进口、成本过高的局面。朱岳表示，下一步，研究院将在研发材料、打印工艺、软件数据研发上持续发力，他相信未来3D打印将会像普通打印一样普及。（王雅慧）

3D打印材料大解析

3D打印材料大解析

　　3D打印，是根据所设计的3D模型，通过3D打印设备逐层增加材料来制造三维产品的技术。这种逐层堆积成形技术又被称作增材制造。3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多领域的前沿技术，是快速成型技术的一种，被誉为?第三次工业革命?的核心技术。

　　3D打印制造技术主要由3个关键要素组成：

　　一是产品需要进行精准的三维设计，运用计算机辅助设计(CAD)工具对产品全方位精准定位;

　　二是需要强大的成型设备;

　　三是需要满足制品性能和成型工艺的材料。

　　由于3D打印制造技术完全改变了传统制造工业的方式和原理，是对传统制造模式的一种颠覆，因此3D打印材料成为限制3D打印发展的主要瓶颈，也是3D打印突破创新的关键点和难点所在，只有进行更多新材料的开发才能拓展3D打印技术的应用领域。目前，3D打印材料主要包括聚合物材料、金属材料、陶瓷材料和复合材料等。

　　3D打印聚合物　　3D打印无人机

　　工程塑料

　　工程塑料指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。工程塑料是当前应用最广泛的一类3D打印材料，常见的有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、 聚碳酸酯(PC)、聚苯砜(PPSF)、聚醚醚酮(PEEK)等。

　　1)ABS

　　ABS材料因具有良好的热熔性、冲击强度， 成为通过熔融沉积3D打印的首选工程塑料。 目前主要是将ABS预制成丝、粉末化后使用，应用范围几乎涵盖了所有日用品、工程用品和部分机械用品。近年来ABS不但在应用领域逐步扩大，而且性能不断提升，借助ABS强大的粘接性、强度通过对ABS的改性，使其作为3D打印材料在更广范围得到应用。

　　2014年国际空间站用ABS塑料3D打印机为其打印零件;世界上最大的3D打印机材料公司Stratasys公司研发的最新ABS材料ABS-M30，专为3D打印制造设计，机械性能比传统的ABS材料提高了67%， 从而扩大了ABS的应用范围。

　　2)PA

　　PA强度高，同时具有一定的柔韧性，因此可直接利用3D打印制造设备零部件。利用3D打印制造的PA碳纤维复合塑料树脂零件强度韧性很高，可用于机械工具代替金属工具。另外，由于PA的粘接性和粉末特性，可与陶瓷粉、玻璃粉、金属粉等混合，通过粘接实现陶瓷粉、玻璃粉、金属粉的低温3D打印。索尔维公司作为全球PA工程塑料的专家，基于PA的工程塑料进行3D打印样件，用于发动机周边零件、门把手套件、刹车踏板等。用工程塑料替代传统的金属材料，最终解决了汽车的轻量化问题。

　　3)PC

　　PC具有优异的强度，其强度比ABS材料高出60%左右，因此适合于超强工程制品的应用。索尔维公司作为全球PA工程塑料的专家，基于PA的工程塑料进行3D打印样件，用于发动机周边零件、门把手套件、刹车踏板等。德国拜耳公司开发的PC2605可用于防弹玻璃、树脂镜片、车头灯罩、宇航员头盔面罩、智能手机的机身、机械齿轮等异型构件的3D打印制造。

　　4)PPFS

　　PPSF具有最高的耐热性、强韧性以及耐化学品性，在各种快速成型工程塑料材料之中性能最佳，通过碳纤维、石墨的复合处理，PPSF显示出极高的强度，可用于3D打印制造高承受负荷的制品，成为替代金属、陶瓷的首选材料。

　　5)PEEK

　　PEEK具有优异的耐磨性、生物相容性、化学稳定性以及杨氏模量最接近人骨等优点，是理想的人工骨替换材料，适合长期植入人体。基于熔融沉积成型原理的3D打印技术安全方便、无需使用激光器、后处理简单，通过与PEEK材料结合制造仿生人工骨。

　　6)EP

　　EP(Elasto Plastic)即弹性塑料，是Shapeways公司最新研制的一种3D打印原材料，它能够避免用ABS打印的穿戴物品或可变形类产品存在的脆性问题。顾名思义，Elasto Plastic是一种新型柔软的3D打印材料，在进行塑形时和ABS一样均采用?逐层烧结?原理，但打印的产品却具有相当好的弹性，易于恢复形变。这种材料可用于制作像3D打印鞋、手机壳和3D打印衣物等产品。

　　7)Endur

　　Stratasys公司推出一款全新的3D打印材料?Endur，它是一种先进的仿聚丙烯材料，可满足各种不同领域的应用需求。Endur材料具有高强度、柔韧度好和耐高温性能，用其打印的产品表面质量佳，且尺寸稳定性好，不易收缩。Endur具有出色的仿聚丙烯性能，能够用于打印运动部件、咬合啮合部件以及小型盒子和容器。

　　生物塑料

　　3D打印生物塑料主要有聚乳酸(PLA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯(PETG)、聚-羟基丁酸酯(PHB)、 聚-羟基戊酸酯(PHBV)、聚丁二酸-丁二醇酯 (PBS)、聚己内酯(PCL)等，具有良好的可生物降解性。

　　1)PLA

　　PLA(Poly Lactic Acid)即聚乳酸可能是3D打印起初使用得最好的原材料，它具有多种半透明色和光泽质感。作为一种环境友好型塑料，聚乳酸可生物降解为活性堆肥。它源于可再生资源?玉米淀粉和甘蔗，而不是非可再生资源??化石燃料。新加坡南洋理工大学的Tan K H等在应用PLA制造组织工程支架方面的研究中，采用3D技术成型生物可降解的高分子材料，制造了高孔隙度的PLA组织工程支架，通过对该支架进行组织分析，发现其具有生长能力。

　　3D打印的PLA螺栓和螺母、PLA柠檬榨汁机推杆

　　2)PETG

　　PETG是采用甘蔗乙烯生产的生物基乙二醇为原料合成的生物基塑料。具有出众的.热成型性、坚韧性与耐候性，热成型周期短、温度低、成品率高。PETG作为一种新型的3D打印材料，兼具PLA和ABS的优点。在3D打印时，材料的收缩率非常小，并且具有良好的疏水性，无需在密闭空间里贮存。由于PETG的收缩率低、温度低，在打印过程中几乎没有气味，使得PETG在3D打印领域产品具有更为广阔的开发应用前景。

　　3)PCL

　　PCL是一种生物可降解聚酯，熔点较低，只有60℃左右。与大部分生物材料一样，人们常常把它用作特殊用途如药物传输设备、缝合剂等，同时，PCL还具有形状记忆性。在3D打印中，由于它熔点低，所以并不需要很高的打印温度，从而达到节能的目的。在医学领域，可用来打印心脏支架等。

　　热固性塑料

　　热固性树脂如环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、芳杂环树脂等具有强度高、耐火性特点，非常适合利用3D打印的粉末激光烧结成型工艺。哈佛大学工程与应用科学院的材料科学家与Wyss生物工程研究所联手开发出了一种可3D打印的环氧基热固性树脂材料，这种环氧树脂可3D打印成建筑结构件用在轻质建筑中。

　　光敏树脂

　　光敏树脂是由聚合物单体与预聚体组成，由于具有良好的液体流动性和瞬间光固化特性，使得液态光敏树脂成为3D打印耗材用于高精度制品打印的首选材料。光敏树脂因具有较快的固化速度，表干性能优异，成型后产品外观平滑，可呈现透明至半透明磨砂状。尤其是光敏树脂具有低气味、低刺激性成分，非常适合个人桌面3D打印系统。

　　高分子凝胶

　　高分子凝胶具有良好的智能性，海藻酸钠、纤维素、动植物胶、蛋白胨、聚丙烯酸等高分子凝胶材料用于3D打印，在一定的温度及引发剂、交联剂的作用下进行聚合后，形成特殊的网状高分子凝胶制品。如受离子强度、温度、电场和化学物质变化时，凝胶的体积也会相应地变化，用于形状记忆材料;凝胶溶胀或收缩发生体积转变，用于传感材料;凝胶网孔的可控性，可用于智能药物释放材料。

　　3D打印金属

　　目前大多数3D打印耗材是塑料，而金属良好的力学强度和导电性使得研究人员对金属物品的打印极为感兴趣。

　　3D Systems为GE公司打印的航空金属构件(左)3D 打印奥斯卡?小金人?(右)

　　黑色金属

　　1)不锈钢

　　不锈钢是最廉价的金属打印材料，经3D打印出的高强度不锈钢制品表面略显粗糙，且存在麻点。不锈钢具有各种不同的光面和磨砂面，常被用作珠宝、功能构件和小型雕刻品等的3D打印。

　　2)高温合金

　　高温合金因其强度高、化学性质稳定、不易成型加工和传统加工工艺成本高等因素，目前已成为航空工业应用的主要3D打印材料。随着3D 打印技术的长期研究和进一步发展，3D打印制造的飞机零件因其加工的工时和成本优势已得到了广泛应用。

　　有色金属

　　1)钛

　　采用3D打印技术制造的钛合金零部件，强度非常高，尺寸精确，能制作的最小尺寸可达1mm，而且其零部件机械性能优于锻造工艺。英国的Metalysis公司利用钛金属粉末成功打印了叶轮和涡轮增压器等汽车零件。此外，钛金属粉末耗材在3D打印汽车、航空航天和国防工业上都将有很广阔的应用前景。

　　2)镁铝合金

　　镁铝合金因其质轻、强度高的优越性能，在制造业的轻量化需求中得到了大量应用。在3D打印技术中，它也毫不例外地成为各大制造商所中意的备选材料。

　　日本佳能公司利用3D打印技术制造出了顶级单反相机镁铝合金特殊曲面顶盖

　　3)镓

　　镓(Ga)主要用作液态金属合金的3D打印材料，它具有金属导电性，其黏度类似于水。不同于汞(Hg)，镓既不含毒性，也不会蒸发。镓可用于柔性和伸缩性的电子产品，液态金属在可变形天线的软伸缩部件、软存储设备、超伸缩电线和软光学部件上已得到了应用。

　　3)镓-铟合金

　　北卡罗琳州立大学化学和生物分子工程的副教授Michael Dickey利用镓(Ga)与铟(In)的液态金属合金通过3D打印技术在室温下创造了一种三维的自立式结构，这一奇迹的诞生得益于镓-铟合金在空气中与氧气发生反应形成了一层能够保持零件形状的氧化膜。这一技术在3D打印中被用于连接电子部件。

　　4)稀贵金属

　　3D打印的产品在时尚界的影响力越来越大。世界各地的珠宝设计师受益最大的似乎就是将3D打印快速原型技术作为一种强大，且可方便替代其他制造方式的创意产业。在饰品3D打印材料领域，常用的有金、纯银、黄铜等。

　　陶 瓷

　　硅酸铝陶瓷粉末能够用于3D打印陶瓷产品。3D打印的该陶瓷制品不透水、耐热(可达600?C)、可回收、无毒，但其强度不高，可作为理想的炊具、餐具(杯、碗、盘子、蛋杯和杯垫)和烛台、瓷砖、花瓶、艺术品等家居装饰材料。

　　复合材料

　　美国硅谷Arevo实验室3D打印出了高强度碳纤维增强复合材料。相比于传统的挤出或注塑定型方法，3D打印时通过精确控制碳纤维的取向，优化特定机械、电和热性能，能够严格设定其综合性能。由于3D打印的复合材料零件一次只能制造一层，每一层可以实现任何所需的纤维取向。结合增强聚合物材料打印的复杂形状零部件具有出色的耐高温和抗化学性能。

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