前景無限：五大最新尖端3D打印技術(shù)

最近，3D打印界迎來了一波又一波的新技術(shù)改革熱潮。在全球各大3D打印企業(yè)與研發(fā)機(jī)構(gòu)的不斷努力下，3D打印產(chǎn)業(yè)又將打破陳規(guī)，走入新的發(fā)展軌道。預(yù)計未來，隨著這些技術(shù)的更進(jìn)一步應(yīng)用，3D打印將爆發(fā)更為巨大的行業(yè)市場。

　　歐萊雅使用3D打印的人造皮膚來測試化妝品

　　將此項技術(shù)投入商用是令不少觀察者驚訝的，不過這個新聞起碼讓動物保護(hù)者們又松了一口氣。這是一次化妝品公司和硅谷的合作。歐萊雅美國和生物3D打印公司 Organovo最近宣布，他們共同研發(fā)出了非常接近真實人體的皮膚組織，而歐萊雅要用它們來測試產(chǎn)品。 Organovo的技術(shù)主要是先建立特定組織的設(shè)計架構(gòu)，然后再用“生物墨水”，其實也就是細(xì)胞來打印組織，這項技術(shù)還允許組織垂直打印并形成分層。

　　據(jù)Wired報道，在和Organovo合作之前，歐萊雅其實已經(jīng)有使用體外皮膚組織的業(yè)務(wù)了，但它依然選擇嘗試更新、更有效的技術(shù)，而且新技術(shù)還有可能降低生物工程的成本。無論如何，歐萊雅的這項舉動倒是會贏得不少動物保護(hù)者的好感，據(jù)歐萊雅科技孵化器全球副總裁 Guive Balooch對《女裝日報》表示：“ 很久以前，我們就不用動物做實驗了，而是轉(zhuǎn)用很多預(yù)測模型或是工程皮膚組織來測試。創(chuàng)意讓我們能夠測試更多不同的分子以及有毒成分的副作用，以保證安全和療效。”

　　化妝品測試的問題一度在中國也比較敏感，因為進(jìn)口化妝品需要進(jìn)行動物實驗。不過歐萊雅稱公司已經(jīng)和中國權(quán)威組織展開了合作，以嘗試和改變監(jiān)管框架，讓中國在化妝品行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)并符合國際要求，能夠?qū)ふ业酱鎰游餃y試的方法。2014年開始，中國已經(jīng)開始減少動物實驗的依賴，國內(nèi)生產(chǎn)美容產(chǎn)品的公司可以選擇不同的測試方法，但進(jìn)口品牌依然要經(jīng)過動物實驗。3D打印技術(shù)也為歐萊雅開拓了更多可能性空間，它可以根據(jù)人們的需求定制色彩、形狀等不同產(chǎn)品，比如一個顧客就喜歡星巴克綠，那它可以用仿真皮膚看看這個綠色抹在眼皮上到底好不好看。

　　歐萊雅認(rèn)為，這項新技術(shù)如果能夠讓品牌的更新速度、創(chuàng)新能力和供應(yīng)鏈都會得到改善，科技就是未來。不過據(jù)Wired稱，也有人猜測歐萊雅集團(tuán)是否在挖掘一個新的市場，可以在燒傷病人等醫(yī)療領(lǐng)域有所涉獵。

　　3D打印圖案化離子膜為膜技術(shù)

　　日前，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)（Penn State）的研究人員開發(fā)出了一種新型3D打印技術(shù)，該技術(shù)能夠在世界上首次快速原型和測試聚合物膜，并將其打印成各種圖案以提高性能。據(jù)了解，離子交換膜在許多類型的能源應(yīng)用中有著廣泛的應(yīng)用，比如可用于燃料電池和某些電池，以及水凈化、海水淡化、重金屬去除和食品加工等。一般來說，目前的大多數(shù)離子交換膜都是一種薄薄的平板，有點類似于我們廚房里的保鮮膜。但是，最近的研究表明，通過在其2D的膜表面上創(chuàng)建出3D結(jié)構(gòu)，就可以出現(xiàn)有趣的流體力學(xué)特性，從而提高離子傳輸能力或者減輕污染，這是在許多膜應(yīng)用中經(jīng)常要面對的一個嚴(yán)重問題。

　　目前，要制作這些帶有3D圖案結(jié)構(gòu)的膜（也被稱為異形膜），涉及到一種相當(dāng)繁重的工藝，即在一個硅膠模具上直接刻蝕出所需的圖案，然后澆鑄以聚合物并等待其硬化。這個過程既耗時又昂貴，而且只能生成一種圖案形式。Hickner是這項研究的負(fù)責(zé)人，他的團(tuán)隊已經(jīng)于2016年6月2日將該研究成果發(fā)表在了美國化學(xué)學(xué)會的雜志《ACS Applied Materials and Interfaces》，論文題目為《陰離子交換膜微圖案的3D打印（3D Printing of Micro-patterned Anion Exchange Membranes）》Hickner的團(tuán)隊稱他們開發(fā)的這種自定義3D光刻打印工業(yè)與當(dāng)前常見的一種被稱為光固化（SLA）的3D打印工藝類似。該團(tuán)隊開發(fā)出了一種可光固化的離子聚合物混合物，并將該混合物暴露在一臺光投影儀之下硬化其基層，隨后將設(shè)計好的圖案投射并選擇性地固化在其表面上。據(jù)稱，這種表面圖案能夠增加膜的電導(dǎo)率多達(dá)1—3個數(shù)量級（factor）。

　　“這種膜在電池或者燃料電池中起到電阻的作用。”Hickner說：“如果能將其電阻降低1至3個數(shù)量級的話，你真的會得到某種很有用的東西。”該項研究的第一作者，材料科學(xué)與工程博士研究生Jiho Seo補(bǔ)充道：“雖然以前我們也曾研究過膜表面的圖案，但是這次是我們第一次3D打印出了這些結(jié)構(gòu)的樣品，而且它也是第一個真正表現(xiàn)出電阻正在以某種定量的方式降低的模型。我們只需一個簡單的并聯(lián)電阻模型就可以描述這些圖案在降低這些新型膜的電阻方面發(fā)揮的影響。這一方法帶給了我們一個設(shè)計工具，可以幫我們不斷創(chuàng)新，設(shè)計出新的圖案，以進(jìn)一步改進(jìn)材料的內(nèi)在化學(xué)特性。據(jù)悉，未來該研究團(tuán)隊將繼續(xù)優(yōu)化他們3D打印的離子膜的幾何和化學(xué)特性，以及了解如何打印新的材料，即在聚合物膜之外迄今從未被打印過的材料。

　　超聲波金屬3D打印技術(shù)

　　當(dāng)大多數(shù)人想到3D打印時，他們想到的是典型的增材過程，在這一過程中許多層材料被融合成期望的最終形狀。然而，增材制造并不總是完美制成最終產(chǎn)品。事實上，為了創(chuàng)建最終零件，大多數(shù)金屬3D打印工藝還需要額外的研磨或其他處理措施。

　　由于這個原因，有一些公司，如Mazak、 DMG MORI和Cincinnati Inc.，將增材和減材結(jié)合來實現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果。最近有一家公司開發(fā)了一種新型混合制造技術(shù)，被稱為超聲波增材制造（UAM）。通過利用聲波而不是熱能，F(xiàn)abrisonic的UAM平臺可被用于一些其他系統(tǒng)做不到的應(yīng)用。在接受媒體采訪時，F(xiàn)abrisonic公司CEO Mark Norfolk解釋說，UAM機(jī)器實際上是一個內(nèi)置了超聲波焊接技術(shù)的數(shù)控銑床。薄薄的金屬箔被一層一層放置，繼而用超聲波焊接在一起。然后用銑床切割密集堆放的金屬片，以創(chuàng)建出最終零件。不像其他金屬3D打印工藝，在UAM中金屬不是被高溫熔化。這就是UAM工藝的重要優(yōu)勢。“溫度不會超過200華氏度，”Norfolk闡述道。“這使我們能夠嵌入傳感器，因為我們的零件不熱。我們只是停止構(gòu)造，鉆出一個小通道，在里面放入一個傳感器，然后繼續(xù)在上面構(gòu)造。再者，它是在低溫下工作，不會損壞傳感器。”

　　Fabrisonic通過制造服務(wù)而不是賣設(shè)備獲得收入的80%，它發(fā)現(xiàn)一些客戶要求將熱電偶嵌入金屬零件。將熱電偶嵌入金屬零件，或者固定在零件的外部，這兩種情況都需要熱傳感器在熱環(huán)境或化學(xué)反應(yīng)環(huán)境下提供溫度讀數(shù)，并保護(hù)熱電偶不受潛在的危險環(huán)境影響。對于一個客戶來說，這個創(chuàng)建熱交換器的過程意味著混合化學(xué)物質(zhì)，根據(jù)Norfolk的說法這是一個熱相關(guān)過程。他解釋道：“你把化學(xué)物質(zhì)A、B和C放到一起進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，然后生成了化學(xué)物質(zhì)D。我們把熱電偶沿著液體的混合通道相鄰放置八九個位置，使客戶精確知道它們混合的溫度。

　　科學(xué)家首次在零重力狀態(tài)下3D打印出人類組織

　　2016年6月14日，在墨西哥灣3萬英尺高空的一架零重力公司（Zero Gravity Corporation）的飛機(jī)上，科學(xué)家們成功地在零重力狀態(tài)下3D打印出第一個可用的心臟結(jié)構(gòu)。負(fù)責(zé)這個項目的公司是來自于美國南印第安納州的Techshot，該公司是美國宇航局的長期技術(shù)承辦商，已經(jīng)有了25年的歷史，主要致力于開發(fā)航空航天、國防和醫(yī)療領(lǐng)域的新技術(shù)。零重力公司是唯一一家得到聯(lián)邦航空管理局（FAA）批準(zhǔn)的可以在美國提供失重飛行服務(wù)的公司。另外，這個項目的參與者還包括工業(yè)級3D打印機(jī)制造商nScrypt，以及生物墨水供應(yīng)商 Bioficial Organs。該研發(fā)團(tuán)隊希望這個項目不僅能夠使科學(xué)家們在太空中制造出可以在地球上移植的器官，而且能夠繼續(xù)支持這項太空計劃。據(jù)了解，在這個3D打印過程中使用的是成人干細(xì)胞。

　　“在地球上，3D生物打印往往需要使用粘稠的生物墨水來提供結(jié)構(gòu)性支撐，這種墨水中會包含化學(xué)物質(zhì)和其它材料。”Bioficial Organs董事長兼CEO Stuart Williams在新聞發(fā)布會上解釋說：“但是如果在太空中打印組織的話，我們就能夠使用更加精細(xì)的打印頭和低粘度的生物墨水，這些墨水中只包含創(chuàng)建健康器官所需要的生物材料即可。一臺安裝在太空里的3D生物打印機(jī)很有希望成為人類健康事業(yè)的一個重要的顛覆者。”據(jù)了解，Williams是這架零重力飛機(jī)的乘客之一，他與Techshot公司執(zhí)行副總裁兼首席運營官 John Vellinger一起，在試驗過程中幫助操作3D生物打印機(jī)。

　　據(jù)悉，此次試驗收集到的數(shù)據(jù)將使得Techshot及其合作伙伴能夠開發(fā)出一款更小、更堅固的3D生物打印機(jī)，而且這臺機(jī)器有可能會在明年一月份搭乘Blue Origin公司的亞軌道飛船。根據(jù)計劃，研發(fā)團(tuán)隊希望能夠在2018年打造出一臺能夠打印更為復(fù)雜組織的生物打印機(jī)并將其送上國際空間站。據(jù)了解，在去年年底的時候，Techshot曾經(jīng)宣布它開發(fā)出了一種方法可以使用患者自己的干細(xì)胞來制造大型的人類血管。不過該公司宣稱，他們在失重飛機(jī)上測試的技術(shù)要比這精細(xì)得多。他們打印的細(xì)胞層比頭發(fā)還要薄好多倍。除此之外，在6月14日的測試中還涉及到了3D電子打印技術(shù)，Techshot稱這臺原型3D打印機(jī)還打印出了導(dǎo)電以及絕緣的材料。

　　3D納米打印復(fù)制腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

　　無所不能的3D打印技術(shù)似乎正在向腦科學(xué)領(lǐng)域滲透。就在兩周前，我們曾經(jīng)報道過蘇格蘭的科學(xué)家們正在使用3D打印的腦腫瘤復(fù)制品來推動對癌癥的研究。而如今，英國阿斯頓大學(xué)（Aston University）的研究人員走得更遠(yuǎn)：通過MESO-BRAIN項目，他們將使用3D納米打印的支架構(gòu)建出人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并將其用于研究大腦發(fā)育和疾病。

　　2016年6月9日，MESO-BRAIN研究團(tuán)隊稱，他們已經(jīng)收到了歐盟委員會通過其未來和新興技術(shù)（FET）資助項目撥付的330萬歐元研究資金。據(jù)了解，MESO-BRAIN項目將使用人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞在一種輪廓分明、重現(xiàn)性好的3D支架上分化成神經(jīng)元，以支持可以模擬人類大腦活動的人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。研人員們稱，這種結(jié)構(gòu)是根據(jù)一種基于大腦皮質(zhì)模塊設(shè)計的，在制造過程中，研究人員使用納米級3D激光打印技術(shù)打印出該結(jié)構(gòu)，并融入納米電極以實現(xiàn)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電生理分析。MESO-BRAIN項目還計劃使用一種基于光片照明的快速容積成像技術(shù)進(jìn)行光學(xué)分析，從而在整個3D網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)細(xì)胞級的分辨率。

　　據(jù)悉，該項目的目標(biāo)包括模擬大腦活動，提高對包括帕金森病、老年癡呆和大腦 損傷在內(nèi)的諸多腦部疾病的認(rèn)識和治療。MESO-BRAIN還有望實現(xiàn)大規(guī)模基于 人類細(xì)胞的檢測，以測試藥理學(xué)和毒理學(xué)化合物對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動的調(diào)節(jié)性影響。研究人員們認(rèn)為，更多與生理有關(guān)的人體模型的使用會增加藥物篩選效率，和減少對動物實驗的需要。MESO-BRAIN項目將于今年9月份正式啟動，預(yù)計研究期限將超過3年。該項目負(fù)責(zé)人、阿斯頓大學(xué)Edik Rafailov教授在一份聲明中說：“直到最近，我們希望能夠通過這個項目實現(xiàn)的東西還屬于科幻小說的范疇。如果他們真的能夠通過3D納米打印從大腦中提取并復(fù)制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的話，那么這一切將不再是科幻。”

　　據(jù)了解，MESO-BRAIN項目的研究工作將由阿斯頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)，其他參與的機(jī)構(gòu)還包括Axol Bioscience公司、漢諾威激光中心、巴塞羅那大學(xué)、光子科學(xué)研究所和KITE Innovation等。PET是歐盟委員會研究與創(chuàng)新資助框架計劃——“地平線2020”（Horizon 2020）的一部分，根據(jù)這項計劃，歐盟將會在7年之內(nèi)（2014—2020）向科研領(lǐng)域投入800億歐元。