生物3D打印

新的墨水再創新

近些年，3D生物打印技術加速了健康科學研究的發展，如組織工程與再生醫學、藥物篩選和開發等。生物墨水是3D生物打印技術的基本組成部分，目前廣泛應用的生物墨水主要是由明膠、透明質酸、海藻酸鹽、絲素蛋白和PEG等常用生物醫用高分子衍生物構成，其種類和功能有限，需進一步開發和拓展特異性組織再生的醫用功能化生物墨水。

由植物和微生物産生的天然化學物質具有廣泛的生物活性和高度的立體化學結構，是一種極具應用潛力的醫療資源。研究發現天然黃酮糖苷類化合物含有至少一個共轭大π鍵和多個共轭雙鍵，可以在一定波長範圍内吸收光，因此推測黃酮糖苷類化合物基生物墨水在光輔助打印過程中或許可以吸收散射光，提高打印産品的形狀保真度。

（文章内容來源于網絡）

另一方面，黃酮糖苷類化合物具有抗氧化、抗炎和抗凋亡特性，被用于治療骨質疏松、風濕病和神經退行性疾病等臨床前研究。然而，由于其生物利用度低，限制了其在生物醫學等領域的廣泛應用。因此，研究黃酮糖苷類化合物衍生物基生物墨水來提高3D生物打印保真度及黃酮糖苷類化合物在組織工程等醫學應用中的生物利用度是有顯著科學意義的。與口服黃酮糖苷類藥物相比，3D生物打印黃酮糖苷類化合物基生物墨水可将黃酮糖苷類分子的生物活性直接傳遞至鄰近細胞被有效利用。鑒于其有望改善打印保真度、促進組織再生修複，将黃酮糖苷類化合物基生物墨水稱為醫用生物墨水。

關于3D打印骨頭

有可行性也有局限性

根據此前發表在《 全球健康雜志》上的一項研究， 通過3D打印制造的3D模型降低了醫療部件的開發成本和手術計劃時間。

●将3D打印與骨科相結合，有助于識别和理解病患的創傷部位，為手術的成功提供更大的保障。這項技術可以使醫生更準确、更仔細、更經濟地設計、生産、重建和計劃手術。總的來說，3D打印的創新為醫療診治過程種的的設計和執行開辟了新的道路。

●骨科3D打印有助于設計精确的解剖形狀，并可将可滲透的骨替代産品整合到患者身體中，制作的植入物具有長期穩定性。

3D打印可以用于骨科領域：

●精确骨骼數據

當骨骼受損嚴重時，診治過程經常遇到瓶頸，尤其是出現骨變形的情況下，X光片通常用于骨科手術，但它們缺乏關于骨缺損程度的精确數據。在這裡，3D 打印可以派上用場，可以提供特定的所需數據。

●手術計劃

3D 打印模型可以用于協助修複性骨骼手術過程，使用3D會生成患者受影響的身體部位的精确複制模型，醫生可以仔細查看和研究。臀部、膝蓋和肩部的不同打印模型可用于定制受傷部位的特定設計，并用作患者特定的植入物。

●逆向工程手術驗證

3D 打印的另一個用途是借助 3D 掃描儀的逆向工程輔助來識别矯形器。這種方法能夠适應患者的生命系統，并簡化治療過程以及材料的選擇。

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但是它的使用也存在一定的局限性：

●清潔限制

3D打印的成型機會給植入物創造者和生産者帶來了一些新的困難。創始者和制造商需要考慮儀器的清潔條件，并将其嵌入規劃階段，因為巨大的幾何靈活性帶來的清潔限制也是很嚴重的

●生物可打印材料限制

最先進的 3D 打印，特别是用于制造可植入生物醫學設備的技術，受到可打印材料的嚴重限制。因此，需要選擇性材料處理技術來解決不能有效打印的材料。

●政府要求、标準化和監管限制

3D 打印的制度化和标準化是一個持續的過程。尤其是在醫療領域，需要接受政府監管。

●生物降解性和毒性限制

材料的降解是3D打印的一個重要問題。使用降解材料可能會導緻系統内部缺氧和酸中毒，這可能會傷害細胞。

仿生3D打印

機械制造的又一種選擇

增材制造（AM）或3D打印工藝通過允許更大的設計自由度、廢物最小化、大規模定制、幾何複雜能力、快速原型制作和制造複雜微/介觀結構的能力，徹底改變了制造業。此外，為了使用3D打印技術研究多種特性，研究了仿生結構，包括模仿植物、動物和昆蟲。龍蝦爪中的Bouligand結構将通過增加裂紋擴展的難度，有效地提高材料的韌性和抗沖擊性。輕木結構中的對齊纖維将增強強度，從而提高抗風能力。天然珍珠層中的磚和砂漿結構通過裂縫偏轉和能量耗散提高了抗沖擊性。增材制造已廣泛應用于建築、原型和生物力學等不同行業。3D打印在建築行業的應用尤其緩慢和有限，盡管它具有浪費少、設計自由和自動化等優點。

不久前，一種新的環氧基油墨可以3D打印輕質蜂窩複合材料，并控制多尺度，高坡向纖維增強的對準，以創建受輕木啟發的分層結構。楊氏模量值比現有的市售3D打印聚合物高出10倍，同時保持了可比的強度值。

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改變形狀的材料

仿生結構和仿生運動可以提高人造材料的力學性能。Arslan等人（2019年）發現了一種生物啟發設計，該設計采用線性水凝膠緻動器，由無溫度響應填料和增強型溫度響應聚合物制成通過在特定溫度下操縱部件的幾何設計和方向，緻動器引入了鞍形形狀變化和其他運動。這項研究還發現，臨界模量的下限（15 kPa）足以打印自支撐3D結構。由于形狀的變化，強化結構受到自然濕度形态和種子莢的啟發，通過響應濕度的刺激，模拟生物有機體的運動，誘導彎曲和扭曲運動。結果表明，由功能部件模塊化組裝而成的仿生形狀，由于刺激誘導控制機制，在制造具有仿生運動的軟器件方面具有巨大潛力。

最近，生物靈感3D打印的研究已從單一功能特性的研究轉變為多功能特性，因為大多數自然結構具有多功能特性（例如機械/電氣/熱特性的組合）。使用了多種類型的聚合物，而天然珍珠層通過結合陶瓷和聚合物形成了優良的結構。這一點以及各層之間的相互聯系目前很難實現。這一困難仍然是用聚合物、陶瓷和金屬建造仿生多材料結構的主要挑戰。外部場輔助3D打印技術在構建仿生結構方面表現出出色的能力，但目前打印樣本的大小僅限于厘米。為車輛、裝甲和航空航天工程的實際應用建造大型結構仍然具有挑戰性。

此外，自然界中的一些結構在單層中包括不同排列的互鎖填料，生物靈感3D打印的進一步研究在于開發多材料打印技術、高分辨率打印以及使用3D打印輔助傳統技術。幸運的是，當今制造和技術環境的快速發展正在推動生物靈感3D打印技術的進步。為了實現這一目标，使用新材料和新3D打印工藝的下一代自然啟發結構的未來發展需要環保、降低成本、使用綠色能源，并具有先進的結構設計改進。總的來說，了解自然結構的機制可以促進3D打印工藝的發展，3D打印工藝将在未來的工程應用中發揮重要作用，例如防彈衣、機器人手臂、藥物輸送等。

納米領域

3D打印納米複合聚合物油墨

3D打印正在逐漸變成一種更通用、更高效的技術。為了進一步開發這項技術，研究人員通常會使用碳納米管、石墨烯、金屬納米顆粒和量子點等低維納米材料，使新型3D打印材料能夠适應外部刺激，賦予電導、熱導、磁性和電化學存儲等特性。近日，密歇根理工大學的機械工程研究人員創造了一種方法，制造出一種使用碳納米管 (CNT) 的3D可打印納米複合聚合物油墨，并具有高拉伸強度且重量很輕。他們希望這種新型墨水可以替代環氧樹脂，邁向大規模使用。研究人員所做的不同之處在于使用聚合物納米複合材料和不犧牲材料功能性的打印工藝。

盡管聚合物納米複合材料和3D打印産品和服務的市場價值都在10億美元左右，但納米材料3D打印的市場價值隻有大約4300萬美元。而研究領域也尚未全面了解在3D打印過程中對納米複合材料特性的控制，例如形态-特性的關系。

技術瓶頸在于如何理解3D打印過程的宏觀力學與納米複合材料的納米級力學和物理學之間複雜的相互作用。而這項研究旨在通過探索3D打印工藝參數與納米複合打印油墨中納米材料形态之間的關系來尋找問題的關鍵。

納米墨水的優點

研究人員認為納米墨水的導電性能使打印的環氧樹脂具有作為電線的潛力，無論是在電路闆、飛機的機翼中還是在引導血管導管的3D打印緻動器。納米複合聚合物油墨的另一個特性是它的強度。與鋼和鋁相比，具有相同強度的環氧樹脂複合材料的重量減輕了80%。納米複合材料在醫療領域、航空航天和電子行業具有安全功能。研究人員稱，當物體破裂時，微小的裂紋會從微觀缺陷開始，并發展到破壞整個結構。納米複合材料在這些裂縫中建立了橋梁，并且不會讓裂縫增長。這是碳納米管提高材料機械強度的機制之一。另外，性能重量比、導電性、增加的強度和易于應用等因素也是聚合物納米複合油墨可能取代傳統環氧樹脂的原因。

材料多種多樣

安全問題依然不容忽視

3D打印，尤其是金屬粉末的處理必須格外小心，并且在可能的情況下，應在保護性氣氛中進行。目前，全封閉的工藝流程正在被設備制造商所重視，以SLM Solutions為代表的金屬打印機品牌商從粉末的灌裝、清理甚至中途加裝等所有流程均實現了全封閉操作，這種空間分割或封裝最大程度的減少了粉塵的暴露和危害。在這種情況下，3D打印手套箱就成為了一種優先的設備選擇。

（大型金屬3D打印手套箱）

3D打印技術作為一項前沿性、先導性非常強的新興技術，對傳統制造業的工藝改造和新材料的廣泛應用具有颠覆性的意義和作用。我們制造的3D打印手套箱（增材制造保護手套箱）針對航空航天特殊零部件的加工所需要的環境而設計的：3D打印設備一般采用送粉成型或鋪粉成型兩種，每種成型設備其需要的手套箱設計要求不同，為此需要啊根據不同需求來設計手套箱提供可靠的解決方案。

金屬3D打印惰性氣體保護系統是一套高性能、高品質的自動吸收水、氧分子的超級淨化防護手套箱，提供一個純化工作環境需求的密閉循環工作系統，可以滿足特定清潔要求應用的1ppm的O2和H2O惰性的氛圍環境。實現了将選擇性激光溶化裝置本體放置在一密封箱體内，該密閉箱體與多級粉塵手機裝置和風循環裝置形成閉環，氩氣在該閉環内循環，系統中的氣氛水含量達到小于1PPM指标，氧含量達到小于1PPM指标，實現超高純工作氣氛的環境，加工的産品可直接應用，減少再處理環節，是一套滿足科研開發而設計的經濟型循環淨化系統。

（大型金屬3D打印手套箱）

技術優勢

●解決3D打印手套箱大體積密封的可靠性。

●解決3D打印手套箱信号線及動力線高度集成進箱密封防幹擾問題。

●解決3D打印手套箱工作時煙塵淨化問題及過濾器更換周期及壽命問題。

●人性化專業化設計，箱體外形美觀，箱體上大型門的密封性極好，開啟方便簡單。

●解3D打印手套箱送粉器送粉進氣或鋪粉設備鏡頭吹氣與手套箱箱體壓力控制。

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