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3D打印三大最新技术引领未来

2016-07-27 02:08
天堂的苦涩
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  最近,3D打印业内被一则消息刷屏----“华中科大研发出铸锻铣一体化金属3D打印技术”。这不仅是我国3D打印技术发展一大振奋人心的消息,更扩展了全球3D打印的技术局限,为未来的技术发展指明了新的方向。然而,近期的3D打印技术发展不仅如此,国际上还有其他领域的“尖端技术”诞生。下面就让我们一起来看看最近有哪些革命性新技术吧!

  我国金属3D打印现重大突破

  由华中科技大学张海鸥教授主导研发的“铸锻铣一体化”金属3D打印技术,成功制造出了世界首批3D打印锻件。该成果打破了3D打印行业最大的障碍,有望改变世界金属零件制造的历史。

  目前的3D金属打印技术虽实现了绿色铸造,但因缺乏锻压技术,无法解决裂纹和变形缺陷。为解决这一世界性难题,张海鸥团队经过十多年攻关,独立研制出“微铸锻同步复合”设备,创造性地将金属铸造、锻压技术合二为一,实现了首超西方的微型“边铸边锻技术”,大幅提高制件强度和韧性,确保了构件的疲劳寿命和可靠性。张海鸥教授介绍,运用该技术生产零件,其精细程度比激光3D打印提高50%。同时,零件的形状尺寸和组织性能可控,大大缩小产品周期。该技术以金属丝材为原料,材料利用率达到80%以上,而丝材料价格成本仅为目前普遍使用材料的十分之一左右。在热源方面,因使用高效廉价的电弧,成本也只需进口激光器的十分之一。

  据了解,“铸锻铣一体化”金属3D打印技术具有广阔的应用前景,将带来包括设计、材料、工艺、检测、控制、装备等一系列制造要素的变革,促进我国传统工业转型。

  日本科研机构开发出3D打印血管与神经技术

  在再生医疗领域,日本多家科研机构在研究使用3D打印技术生产血管等复杂组织。日本佐贺大学将iPS细胞(人体诱导多功能干细胞)培育出的细胞群打印成管状结构,制成血管。京都大学利用3D打印技术制成包裹着神经的筒状组织,并将其移植到实验鼠身上,实现了神经的再生。日本政府预计到2020年前后,iPS细胞将可用于治疗心脏病等疾病,正在加紧掌握与人体组织形状相近的人造立体组织移植技术。

  iPS细胞不仅被用于治疗眼部的疑难病症,未来还可能被用于治疗心力衰竭和脊髓损伤。在培育用于移植治疗的长血管和立体内脏时,管状和袋状的组织结构常需要使用很多细胞。研究团队认为,既然3D打印技术的原理是层层叠加树脂材料打印成立体作品,如果用细胞代替树脂,也可以打印出立体的组织。佐贺大学教授森田茂树的研究团队将人类iPS细胞培养出可发育成血管的细胞群,并在多排细针组成阵列的微型基座上层层串起细胞,最后打印出长2厘米,直径5毫米的管状结构。将管状结构细胞从细针上取下,内部使用培养液贯穿。数天后分化成不同种类的细胞会在内壁形成细胞层,最终形成血管。今后将在猪身上进行血管移植实验。该研究使用了发源于九州大学的新创企业Cyfuse与涩谷工业合作研发的“Bio3D打印机”。

  目前有一种治疗心肌梗塞的方法是摘取患者的其他血管来替代被淤塞血管。但这种方法对人体会造成很大的负担,使用人工血管容易造成再次淤塞,因此人们对iPS细胞制成的血管期待很高。京都大学副教授池口良辅的研究团队使用可分化成皮肤等组织的细胞,制成长8毫米,直径3毫米的管状结构。将其移植到被切除部分神经的实验鼠的创口处,8周后管内产生了神经连接,老鼠恢复行走能力。可见,筒状构造可培育长成神经的细胞,促进神经再生。计划3年后将该技术投入临床研究阶段。

  干细胞3D打印定制抗炎软骨技术

  为了不用手术就可以治疗磨损发炎的髋关节,科学家们在类似髋关节股骨头的3D支架上诱导干细胞进行编程生长为新的软骨,同时结合基因治疗还可以激活新软骨释放抗炎分子防止关节炎复发。这项技术使用了一种3D可生物降解的合成支架,这种支架可以根据病人关节的准确形状进行定制,再利用病人皮肤下脂肪组织中的干细胞诱导形成软骨,将其覆盖在3D支架上从而获得新的关节软骨。随后将新软骨植入发炎髋关节表面,用活组织重新覆盖髋关节,从而消除关节炎疼痛,延缓甚至消除一些病人对关节替换手术的需要。

  除此之外,研究人员还借助基因疗法将一个基因插入到新生的软骨细胞中,再用一种简单药物将其激活,该基因可以促进抗炎分子的释放进而防止关节炎复发。“在有炎症的时候,我们可以给病人一种简单的药物,激活我们植入的基因来降低关节部位的炎症,这样我们就可以在任意时候停止给药来关闭基因的表达。”研究人员这样说道。这种基因疗法是非常重要的,当关节部位的炎症分子水平增加,软骨会受到损伤,疼痛也会出现。将基因疗法加入到干细胞和3D打印支架技术中,研究人员相信这将有助于阻止关节炎复发,让植入软骨发挥更长时间的作用。

  有数据表明目前有3000万人美国人被诊断为骨关节炎,而骨关节炎的发生率处于上升态势。该数字中包含许多年龄在40到65岁的相对年轻病人,这些病人由于受到年龄限制还不适合进行关节替换手术,而传统的方法又不是特别有效。研究人员认为这部分病人或在将来成为使用这种新技术的理想候选人。

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