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生物3D打印

新的墨水再创新

近些年,3D生物打印技术加速了健康科学研究的发展,如组织工程与再生医学、药物筛选和开发等。生物墨水是3D生物打印技术的基本组成部分,目前广泛应用的生物墨水主要是由明胶、透明质酸、海藻酸盐、丝素蛋白和PEG等常用生物医用高分子衍生物构成,其种类和功能有限,需进一步开发和拓展特异性组织再生的医用功能化生物墨水。

由植物和微生物产生的天然化学物质具有广泛的生物活性和高度的立体化学结构,是一种极具应用潜力的医疗资源。研究发现天然黄酮糖苷类化合物含有至少一个共轭大π键和多个共轭双键,可以在一定波长范围内吸收光,因此推测黄酮糖苷类化合物基生物墨水在光辅助打印过程中或许可以吸收散射光,提高打印产品的形状保真度。

另一方面,黄酮糖苷类化合物具有抗氧化、抗炎和抗凋亡特性,被用于治疗骨质疏松、风湿病和神经退行性疾病等临床前研究。然而,由于其生物利用度低,限制了其在生物医学等领域的广泛应用。因此,研究黄酮糖苷类化合物衍生物基生物墨水来提高3D生物打印保真度及黄酮糖苷类化合物在组织工程等医学应用中的生物利用度是有显著科学意义的。与口服黄酮糖苷类药物相比,3D生物打印黄酮糖苷类化合物基生物墨水可将黄酮糖苷类分子的生物活性直接传递至邻近细胞被有效利用。鉴于其有望改善打印保真度、促进组织再生修复,将黄酮糖苷类化合物基生物墨水称为医用生物墨水。

关于3D打印骨头

有可行性也有局限性

根据此前发表在《 全球健康杂志》上的一项研究, 通过3D打印制造的3D模型降低了医疗部件的开发成本和手术计划时间。

●将3D打印与骨科相结合,有助于识别和理解病患的创伤部位,为手术的成功提供更大的保障。这项技术可以使医生更准确、更仔细、更经济地设计、生产、重建和计划手术。总的来说,3D打印的创新为医疗诊治过程种的的设计和执行开辟了新的道路。

●骨科3D打印有助于设计精确的解剖形状,并可将可渗透的骨替代产品整合到患者身体中,制作的植入物具有长期稳定性。

3D打印可以用于骨科领域:

●精确骨骼数据

当骨骼受损严重时,诊治过程经常遇到瓶颈,尤其是出现骨变形的情况下,X光片通常用于骨科手术,但它们缺乏关于骨缺损程度的精确数据。在这里,3D 打印可以派上用场,可以提供特定的所需数据。

●手术计划

3D 打印模型可以用于协助修复性骨骼手术过程,使用3D会生成患者受影响的身体部位的精确复制模型,医生可以仔细查看和研究。臀部、膝盖和肩部的不同打印模型可用于定制受伤部位的特定设计,并用作患者特定的植入物。

●逆向工程手术验证

3D 打印的另一个用途是借助 3D 扫描仪的逆向工程辅助来识别矫形器。这种方法能够适应患者的生命系统,并简化治疗过程以及材料的选择。

但是它的使用也存在一定的局限性:

●清洁限制

3D打印的成型机会给植入物创造者和生产者带来了一些新的困难。创始者和制造商需要考虑仪器的清洁条件,并将其嵌入规划阶段,因为巨大的几何灵活性带来的清洁限制也是很严重的

●生物可打印材料限制

最先进的 3D 打印,特别是用于制造可植入生物医学设备的技术,受到可打印材料的严重限制。因此,需要选择性材料处理技术来解决不能有效打印的材料。

●政府要求、标准化和监管限制

3D 打印的制度化和标准化是一个持续的过程。尤其是在医疗领域,需要接受政府监管。

●生物降解性和毒性限制

材料的降解是3D打印的一个重要问题。使用降解材料可能会导致系统内部缺氧和酸中毒,这可能会伤害细胞。

仿生3D打印

机械制造的又一种选择

增材制造(AM)或3D打印工艺通过允许更大的设计自由度、废物最小化、大规模定制、几何复杂能力、快速原型制作和制造复杂微/介观结构的能力,彻底改变了制造业。此外,为了使用3D打印技术研究多种特性,研究了仿生结构,包括模仿植物、动物和昆虫。龙虾爪中的Bouligand结构将通过增加裂纹扩展的难度,有效地提高材料的韧性和抗冲击性。轻木结构中的对齐纤维将增强强度,从而提高抗风能力。天然珍珠层中的砖和砂浆结构通过裂缝偏转和能量耗散提高了抗冲击性。增材制造已广泛应用于建筑、原型和生物力学等不同行业。3D打印在建筑行业的应用尤其缓慢和有限,尽管它具有浪费少、设计自由和自动化等优点。

不久前,一种新的环氧基油墨可以3D打印轻质蜂窝复合材料,并控制多尺度,高坡向纤维增强的对准,以创建受轻木启发的分层结构。杨氏模量值比现有的市售3D打印聚合物高出10倍,同时保持了可比的强度值。

改变形状的材料

仿生结构和仿生运动可以提高人造材料的力学性能。Arslan等人(2019年)发现了一种生物启发设计,该设计采用线性水凝胶致动器,由无温度响应填料和增强型温度响应聚合物制成通过在特定温度下操纵部件的几何设计和方向,致动器引入了鞍形形状变化和其他运动。这项研究还发现,临界模量的下限(15 kPa)足以打印自支撑3D结构。由于形状的变化,强化结构受到自然湿度形态和种子荚的启发,通过响应湿度的刺激,模拟生物有机体的运动,诱导弯曲和扭曲运动。结果表明,由功能部件模块化组装而成的仿生形状,由于刺激诱导控制机制,在制造具有仿生运动的软器件方面具有巨大潜力。

最近,生物灵感3D打印的研究已从单一功能特性的研究转变为多功能特性,因为大多数自然结构具有多功能特性(例如机械/电气/热特性的组合)。使用了多种类型的聚合物,而天然珍珠层通过结合陶瓷和聚合物形成了优良的结构。这一点以及各层之间的相互联系目前很难实现。这一困难仍然是用聚合物、陶瓷和金属建造仿生多材料结构的主要挑战。外部场辅助3D打印技术在构建仿生结构方面表现出出色的能力,但目前打印样本的大小仅限于厘米。为车辆、装甲和航空航天工程的实际应用建造大型结构仍然具有挑战性。

此外,自然界中的一些结构在单层中包括不同排列的互锁填料,生物灵感3D打印的进一步研究在于开发多材料打印技术、高分辨率打印以及使用3D打印辅助传统技术。幸运的是,当今制造和技术环境的快速发展正在推动生物灵感3D打印技术的进步。为了实现这一目标,使用新材料和新3D打印工艺的下一代自然启发结构的未来发展需要环保、降低成本、使用绿色能源,并具有先进的结构设计改进。总的来说,了解自然结构的机制可以促进3D打印工艺的发展,3D打印工艺将在未来的工程应用中发挥重要作用,例如防弹衣、机器人手臂、药物输送等。

纳米领域

3D打印纳米复合聚合物油墨

3D打印正在逐渐变成一种更通用、更高效的技术。为了进一步开发这项技术,研究人员通常会使用碳纳米管、石墨烯、金属纳米颗粒和量子点等低维纳米材料,使新型3D打印材料能够适应外部刺激,赋予电导、热导、磁性和电化学存储等特性。近日,密歇根理工大学的机械工程研究人员创造了一种方法,制造出一种使用碳纳米管 (CNT) 的3D可打印纳米复合聚合物油墨,并具有高拉伸强度且重量很轻。他们希望这种新型墨水可以替代环氧树脂,迈向大规模使用。研究人员所做的不同之处在于使用聚合物纳米复合材料和不牺牲材料功能性的打印工艺。

尽管聚合物纳米复合材料和3D打印产品和服务的市场价值都在10亿美元左右,但纳米材料3D打印的市场价值只有大约4300万美元。而研究领域也尚未全面了解在3D打印过程中对纳米复合材料特性的控制,例如形态-特性的关系。

技术瓶颈在于如何理解3D打印过程的宏观力学与纳米复合材料的纳米级力学和物理学之间复杂的相互作用。而这项研究旨在通过探索3D打印工艺参数与纳米复合打印油墨中纳米材料形态之间的关系来寻找问题的关键。

纳米墨水的优点

研究人员认为纳米墨水的导电性能使打印的环氧树脂具有作为电线的潜力,无论是在电路板、飞机的机翼中还是在引导血管导管的3D打印致动器。纳米复合聚合物油墨的另一个特性是它的强度。与钢和铝相比,具有相同强度的环氧树脂复合材料的重量减轻了80%。纳米复合材料在医疗领域、航空航天和电子行业具有安全功能。研究人员称,当物体破裂时,微小的裂纹会从微观缺陷开始,并发展到破坏整个结构。纳米复合材料在这些裂缝中建立了桥梁,并且不会让裂缝增长。这是碳纳米管提高材料机械强度的机制之一。另外,性能重量比、导电性、增加的强度和易于应用等因素也是聚合物纳米复合油墨可能取代传统环氧树脂的原因。

材料多种多样

安全问题依然不容忽视

3D打印,尤其是金属粉末的处理必须格外小心,并且在可能的情况下,应在保护性气氛中进行。目前,全封闭的工艺流程正在被设备制造商所重视,以SLM Solutions为代表的金属打印机品牌商从粉末的灌装、清理甚至中途加装等所有流程均实现了全封闭操作,这种空间分割或封装最大程度的减少了粉尘的暴露和危害。在这种情况下,3D打印手套箱就成为了一种优先的设备选择。

3D打印技术作为一项前沿性、先导性非常强的新兴技术,对传统制造业的工艺改造和新材料的广泛应用具有颠覆性的意义和作用。我们制造的3D打印手套箱(增材制造保护手套箱)针对航空航天特殊零部件的加工所需要的环境而设计的:3D打印设备一般采用送粉成型或铺粉成型两种,每种成型设备其需要的手套箱设计要求不同,为此需要啊根据不同需求来设计手套箱提供可靠的解决方案。

金属3D打印惰性气体保护系统是一套高性能、高品质的自动吸收水、氧分子的超级净化防护手套箱,提供一个纯化工作环境需求的密闭循环工作系统,可以满足特定清洁要求应用的1ppm的O2和H2O惰性的氛围环境。实现了将选择性激光溶化装置本体放置在一密封箱体内,该密闭箱体与多级粉尘手机装置和风循环装置形成闭环,氩气在该闭环内循环,系统中的气氛水含量达到小于1PPM指标,氧含量达到小于1PPM指标,实现超高纯工作气氛的环境,加工的产品可直接应用,减少再处理环节,是一套满足科研开发而设计的经济型循环净化系统。

技术优势

●解决3D打印手套箱大体积密封的可靠性。

●解决3D打印手套箱信号线及动力线高度集成进箱密封防干扰问题。

●解决3D打印手套箱工作时烟尘净化问题及过滤器更换周期及寿命问题。

●人性化专业化设计,箱体外形美观,箱体上大型门的密封性极好,开启方便简单。

●解3D打印手套箱送粉器送粉进气或铺粉设备镜头吹气与手套箱箱体压力控制。