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前景无限:五大最新尖端3D打印技术

2016-06-22 00:03
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  最近,3D打印界迎来了一波又一波的新技术改革热潮。在全球各大3D打印企业与研发机构的不断努力下,3D打印产业又将打破陈规,走入新的发展轨道。预计未来,随着这些技术的更进一步应用,3D打印将爆发更为巨大的行业市场。

  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。”

  化妆品测试的问题一度在中国也比较敏感,因为进口化妆品需要进行动物实验。不过欧莱雅称公司已经和中国权威组织展开了合作,以尝试和改变监管框架,让中国在化妆品行业的标准并符合国际要求,能够寻找到代替动物测试的方法。2014年开始,中国已经开始减少动物实验的依赖,国内生产美容产品的公司可以选择不同的测试方法,但进口品牌依然要经过动物实验。3D打印技术也为欧莱雅开拓了更多可能性空间,它可以根据人们的需求定制色彩、形状等不同产品,比如一个顾客就喜欢星巴克绿,那它可以用仿真皮肤看看这个绿色抹在眼皮上到底好不好看。

  欧莱雅认为,这项新技术如果能够让品牌的更新速度、创新能力和供应链都会得到改善,科技就是未来。不过据Wired称,也有人猜测欧莱雅集团是否在挖掘一个新的市场,可以在烧伤病人等医疗领域有所涉猎。

  3D打印图案化离子膜为膜技术

  日前,美国宾夕法尼亚州立大学(Penn State)的研究人员开发出了一种新型3D打印技术,该技术能够在世界上首次快速原型和测试聚合物膜,并将其打印成各种图案以提高性能。据了解,离子交换膜在许多类型的能源应用中有着广泛的应用,比如可用于燃料电池和某些电池,以及水净化、海水淡化、重金属去除和食品加工等。一般来说,目前的大多数离子交换膜都是一种薄薄的平板,有点类似于我们厨房里的保鲜膜。但是,最近的研究表明,通过在其2D的膜表面上创建出3D结构,就可以出现有趣的流体力学特性,从而提高离子传输能力或者减轻污染,这是在许多膜应用中经常要面对的一个严重问题。

  目前,要制作这些带有3D图案结构的膜(也被称为异形膜),涉及到一种相当繁重的工艺,即在一个硅胶模具上直接刻蚀出所需的图案,然后浇铸以聚合物并等待其硬化。这个过程既耗时又昂贵,而且只能生成一种图案形式。Hickner是这项研究的负责人,他的团队已经于2016年6月2日将该研究成果发表在了美国化学学会的杂志《ACS Applied Materials and Interfaces》,论文题目为《阴离子交换膜微图案的3D打印(3D Printing of Micro-patterned Anion Exchange Membranes)》Hickner的团队称他们开发的这种自定义3D光刻打印工业与当前常见的一种被称为光固化(SLA)的3D打印工艺类似。该团队开发出了一种可光固化的离子聚合物混合物,并将该混合物暴露在一台光投影仪之下硬化其基层,随后将设计好的图案投射并选择性地固化在其表面上。据称,这种表面图案能够增加膜的电导率多达1—3个数量级(factor)。

  “这种膜在电池或者燃料电池中起到电阻的作用。”Hickner说:“如果能将其电阻降低1至3个数量级的话,你真的会得到某种很有用的东西。”该项研究的第一作者,材料科学与工程博士研究生Jiho Seo补充道:“虽然以前我们也曾研究过膜表面的图案,但是这次是我们第一次3D打印出了这些结构的样品,而且它也是第一个真正表现出电阻正在以某种定量的方式降低的模型。我们只需一个简单的并联电阻模型就可以描述这些图案在降低这些新型膜的电阻方面发挥的影响。这一方法带给了我们一个设计工具,可以帮我们不断创新,设计出新的图案,以进一步改进材料的内在化学特性。据悉,未来该研究团队将继续优化他们3D打印的离子膜的几何和化学特性,以及了解如何打印新的材料,即在聚合物膜之外迄今从未被打印过的材料。

  超声波金属3D打印技术

  当大多数人想到3D打印时,他们想到的是典型的增材过程,在这一过程中许多层材料被融合成期望的最终形状。然而,增材制造并不总是完美制成最终产品。事实上,为了创建最终零件,大多数金属3D打印工艺还需要额外的研磨或其他处理措施。

  由于这个原因,有一些公司,如Mazak、 DMG MORI和Cincinnati Inc.,将增材和减材结合来实现预期的结果。最近有一家公司开发了一种新型混合制造技术,被称为超声波增材制造(UAM)。通过利用声波而不是热能,Fabrisonic的UAM平台可被用于一些其他系统做不到的应用。在接受媒体采访时,Fabrisonic公司CEO Mark Norfolk解释说,UAM机器实际上是一个内置了超声波焊接技术的数控铣床。薄薄的金属箔被一层一层放置,继而用超声波焊接在一起。然后用铣床切割密集堆放的金属片,以创建出最终零件。不像其他金属3D打印工艺,在UAM中金属不是被高温熔化。这就是UAM工艺的重要优势。“温度不会超过200华氏度,”Norfolk阐述道。“这使我们能够嵌入传感器,因为我们的零件不热。我们只是停止构造,钻出一个小通道,在里面放入一个传感器,然后继续在上面构造。再者,它是在低温下工作,不会损坏传感器。”

  Fabrisonic通过制造服务而不是卖设备获得收入的80%,它发现一些客户要求将热电偶嵌入金属零件。将热电偶嵌入金属零件,或者固定在零件的外部,这两种情况都需要热传感器在热环境或化学反应环境下提供温度读数,并保护热电偶不受潜在的危险环境影响。对于一个客户来说,这个创建热交换器的过程意味着混合化学物质,根据Norfolk的说法这是一个热相关过程。他解释道:“你把化学物质A、B和C放到一起进行化学反应,然后生成了化学物质D。我们把热电偶沿着液体的混合通道相邻放置八九个位置,使客户精确知道它们混合的温度。

  科学家首次在零重力状态下3D打印出人类组织

  2016年6月14日,在墨西哥湾3万英尺高空的一架零重力公司(Zero Gravity Corporation)的飞机上,科学家们成功地在零重力状态下3D打印出第一个可用的心脏结构。负责这个项目的公司是来自于美国南印第安纳州的Techshot,该公司是美国宇航局的长期技术承办商,已经有了25年的历史,主要致力于开发航空航天、国防和医疗领域的新技术。零重力公司是唯一一家得到联邦航空管理局(FAA)批准的可以在美国提供失重飞行服务的公司。另外,这个项目的参与者还包括工业级3D打印机制造商nScrypt,以及生物墨水供应商 Bioficial Organs。该研发团队希望这个项目不仅能够使科学家们在太空中制造出可以在地球上移植的器官,而且能够继续支持这项太空计划。据了解,在这个3D打印过程中使用的是成人干细胞。

  “在地球上,3D生物打印往往需要使用粘稠的生物墨水来提供结构性支撑,这种墨水中会包含化学物质和其它材料。”Bioficial Organs董事长兼CEO Stuart Williams在新闻发布会上解释说:“但是如果在太空中打印组织的话,我们就能够使用更加精细的打印头和低粘度的生物墨水,这些墨水中只包含创建健康器官所需要的生物材料即可。一台安装在太空里的3D生物打印机很有希望成为人类健康事业的一个重要的颠覆者。”据了解,Williams是这架零重力飞机的乘客之一,他与Techshot公司执行副总裁兼首席运营官 John Vellinger一起,在试验过程中帮助操作3D生物打印机。

  据悉,此次试验收集到的数据将使得Techshot及其合作伙伴能够开发出一款更小、更坚固的3D生物打印机,而且这台机器有可能会在明年一月份搭乘Blue Origin公司的亚轨道飞船。根据计划,研发团队希望能够在2018年打造出一台能够打印更为复杂组织的生物打印机并将其送上国际空间站。据了解,在去年年底的时候,Techshot曾经宣布它开发出了一种方法可以使用患者自己的干细胞来制造大型的人类血管。不过该公司宣称,他们在失重飞机上测试的技术要比这精细得多。他们打印的细胞层比头发还要薄好多倍。除此之外,在6月14日的测试中还涉及到了3D电子打印技术,Techshot称这台原型3D打印机还打印出了导电以及绝缘的材料。

  3D纳米打印复制脑神经网络

  无所不能的3D打印技术似乎正在向脑科学领域渗透。就在两周前,我们曾经报道过苏格兰的科学家们正在使用3D打印的脑肿瘤复制品来推动对癌症的研究。而如今,英国阿斯顿大学(Aston University)的研究人员走得更远:通过MESO-BRAIN项目,他们将使用3D纳米打印的支架构建出人工神经网络,并将其用于研究大脑发育和疾病。

  2016年6月9日,MESO-BRAIN研究团队称,他们已经收到了欧盟委员会通过其未来和新兴技术(FET)资助项目拨付的330万欧元研究资金。据了解,MESO-BRAIN项目将使用人类诱导多能干细胞在一种轮廓分明、重现性好的3D支架上分化成神经元,以支持可以模拟人类大脑活动的人类神经网络的发展。研人员们称,这种结构是根据一种基于大脑皮质模块设计的,在制造过程中,研究人员使用纳米级3D激光打印技术打印出该结构,并融入纳米电极以实现对神经网络的电生理分析。MESO-BRAIN项目还计划使用一种基于光片照明的快速容积成像技术进行光学分析,从而在整个3D网络中实现细胞级的分辨率。

  据悉,该项目的目标包括模拟大脑活动,提高对包括帕金森病、老年痴呆和大脑 损伤在内的诸多脑部疾病的认识和治疗。MESO-BRAIN还有望实现大规模基于 人类细胞的检测,以测试药理学和毒理学化合物对神经网络活动的调节性影响。研究人员们认为,更多与生理有关的人体模型的使用会增加药物筛选效率,和减少对动物实验的需要。MESO-BRAIN项目将于今年9月份正式启动,预计研究期限将超过3年。该项目负责人、阿斯顿大学Edik Rafailov教授在一份声明中说:“直到最近,我们希望能够通过这个项目实现的东西还属于科幻小说的范畴。如果他们真的能够通过3D纳米打印从大脑中提取并复制神经网络的话,那么这一切将不再是科幻。”

  据了解,MESO-BRAIN项目的研究工作将由阿斯顿大学领导,其他参与的机构还包括Axol Bioscience公司、汉诺威激光中心、巴塞罗那大学、光子科学研究所和KITE Innovation等。PET是欧盟委员会研究与创新资助框架计划——“地平线2020”(Horizon 2020)的一部分,根据这项计划,欧盟将会在7年之内(2014—2020)向科研领域投入800亿欧元。

 

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