3D打印技術的現狀與未來

3D打印技術的現狀與未來

　　3D打印從開始運用于汽車和航天等制造業，到近幾年應用于醫療行業，打印出組織器官，并且協助完成手術，3D打印可謂改變了生產觀念。在醫療行業，3D打印人造肝臟組織、3D打印人造耳、3D打印牙冠等出現在人們的視野里，3D打印為器官移植提供了多一種可能，給醫療行業帶來了新的希望。下面是小編為大家收集的3D打印技術的現狀與未來，歡迎大家借鑒與參考，希望對大家有所幫助。

　　Nature Biotechnology雜志在線發表一篇文章，文章中，研究人員揭示了一種新型的3D打印技術——Integrated Tissue and Organ Printing(集成式的組織和器官打印技術)，該打印技術能夠構建出結構穩定且具備功能的人耳器官、骨骼和肌肉組織，更重要的是這些組織器官融入微通道，能夠維持其繼續生長形成血管、軟骨等系統，從而發揮功能。

　　本文就3D打印的現狀及進展做一整理，幫助大家梳理一下該技術的進展情況。

　　【1】創客學生利用自制3D打印牙套矯形成功!

　　由于3D打印技術可以快速實現幾乎任意的形狀，所以它在牙科領域中的應用正在快速增加，因為牙科產品是最需要個性化的。但由于研發這種東西需要相當專業的知識和設備(如高精度3D打印機)，所以到目前為止，只有達到一定規模的企業才有實力將它們做出來。不過，這種情況可能很快就會改變，因為最近，新澤西理工學院學生Amos Dudley成功利用3D打印自行制作出了一個可用的牙套!

　　在自己的博客上，Dudley解釋了他之所以想得到一個牙套是因為他有幾顆牙彎曲的很明顯，不夠美觀。不過由于自己恰好是一名創客，擁有“凡事自己動手”的固執天性，所以他沒有去看牙醫，而是決定嘗試自行解決問題。稍加思考后，他便想到了可行的方案，就是3D掃描自己的牙齒，再3D打印出牙套。

　　【2】3D打印器官新突破

　　美國科學家研發出了一款可以打印大尺寸“活”組織的3D打印機，這些組織移植到老鼠身上后能夠長時間地存活，并逐漸“融入”到了周圍的組織里。這項新的突破使科學家距離3D打印出真正的組織乃至器官，并將其用于臨床治療又近了一步。

　　1986年，美國人查爾斯·赫爾(Charles Hull)發明了3D打印技術。在隨后的30年間，尤其是進入二十一世紀以來，隨著材料科學、計算機技術等諸多領域的進展，3D打印技術取得了長足的進步。如今，你能在網上下載到各式各樣的3D模型文件，用3D打印機為自己打印一個小擺件。但3D打印技術的應用遠遠不止局限在給人們的生活增添一抹亮色上：設計師可以用3D打印機把自己設計的作品的模型打印出來，讓客戶有更加直觀的體驗;在工業生產上，有越來越多的零部件的生產正在使用著3D打印技術，比如，空中客車公司就宣稱其生產的A350 XWB機型的飛機有超過1000種零部件是用3D打印技術生產的;科學家和醫生能夠用3D打印機根據病人的體貌特征，“定制級”地打印出各類植入物，為病人做移植手術。

　　【3】3D打印助力精準醫療

　　現今3D打印技術正如火如荼的滲透到人們生活的各個領域，特別是在醫藥領域的發展可圈可點。最大的優勢就是3D打印技術可以依據病患的特點和要求真正實現個性化制造，成為輔助精準醫療的有力手段。

　　去年美國食品藥品監督管理局 (FDA)己在全球批準首款完全用3D打印制作的藥片。這款名為Spritam的藥物由美國Apprecia制藥公司研制，用于治療癲癇癥患者。該藥物獲得批準意味著個性化定制藥物不再是夢想。一則可以實現藥物活性成分的個性化定制。再則可以實現劑量的個性化定制。這種一層一層的打印方法，可以把不同的涂層彼此緊密地結合一起，因此可以把某種物質的最大劑量 ( 據制藥廠稱，最多1000毫克)置入一粒藥片中。這樣病人可以吞服少量或較小的藥片。三則可以實現形狀的個性化定制。這對于不喜歡吃藥的兒童來講可謂是再好不過的辦法了，通過3D打印技術打印出各種有趣的形狀，來哄寶寶吃藥。四則還可通過3D打印技術使藥物擁有特殊的微觀結構，改善藥物的釋放行為，從而提高療效并降低副作用。如Apprecia制藥公司應用Zipdose技術推出的可在4秒多就溶解的藥丸。

　　【4】倫敦醫生借助3D打印成功完成前列腺腫瘤切除手術

　　日前，在London Clinic私立醫院，Urology Prokar Dasgupta教授成功地為一位來自倫敦的65歲患者Alexander Spyrou先生切除了前列腺腫瘤。在這個手術中，Dasgupta使用了患者帶腫瘤的前列腺的3D打印模型。據了解，這個3D打印的前列腺是London Clinic的放射科專家Clare Allen的杰作，它為前列腺手術帶來了前所未有的變化，尤其是這個腫瘤是在一個特別重要的位置上。

　　Dasgupta教授解釋說：“在此之前我通常使用機器人來做前列腺手術，這種方法的一個缺點就是缺乏觸感。盡管你能夠以3D的方式更清楚地看到目標，甚至可以將其放大10倍，但是你失去了最終要的東西——對它的觸覺。而對于這個病人，我能在3D模型中感覺到腫瘤，并能感覺到腫瘤是多么接近表面。通常情況下，我們會在心里想象腫瘤的位置，但是在這里，當我遠遠地坐在控制臺邊通過Da Vinci機器人進行手術時，這個模型就在我的手上。這個模型能夠幫你在癌癥手術獲得更好地準確性�！�

　　【5】2019年全球3D打印醫療市場銷售將達9.66億美元

　　3D打印正在多個垂直行業顛覆制造過程，尤其是在醫療領域，3D打印技術的應用導致了更多創新、高效的產品出現。日前，市場研究機構Transparency Market Research在其最新的研究報告中，分析了全球3D打印醫療垂直應用市場，預測從2013年至2019年該市場的年復合增長率將達15.4%。而全球3D打印醫療市場的總銷售額也將從2012年3.545億美元增至9.655億美元。該報告的題目是《3D打印在醫療應用市場——全球行業分析，大小、份額、增長、趨勢和預測，2013年—2019年(3DPrinting in Medical Applications Market - Global Industry Analysis， Size， Share，Growth， Trends and Forecast， 2013 - 2019)》。

　　該報告稱，全球3D打印技術醫療應用市場主要受到一下幾個因素的推動：各種3D打印醫療應用不斷增加、定制化3D打印醫療產品的增長趨勢、來自私人和政府機構的資金、能夠擴大醫療應用的技術進步，以及3D打印應用所帶來的成本和時間的縮短以及相應的病人護理的改善等。該報告同時顯示，3D設計軟件公司的并購也將在該市場的未來發展中占據重要地位。然而，缺乏訓練有素的專業人員和材料相關的問題有可能阻礙到3D打印在醫療應用市場上的擴展。

　　【6】Nat Biotech：3D打印革命性進步!打印可移植器官

　　在最近一項發表在國際學術期刊Nature Biotechnology上的研究中，科學家首次使用3D打印機以活細胞為“墨水”制造出人類真實大小的器官和組織。這些打印出來的機體結構不僅足夠大足夠結實，可以用于替換機體“原裝配件”，還可以進行個性化定制同時具有功能性。

　　一位研究人員表示：“這項技術能夠制造出穩定的符合人類尺寸的任意形狀的組織。如果能夠得到進一步開發，這項技術還有望用于打印活體組織器官并進行手術移植�！�

　　在此之前，生物打印技術已經可以用于打印一些小型的或者極度簡化的器官復制品——比如腦和腎臟組織，因此科學家們就可以利用這些打印器官進行研究，部分替代實驗動物，但直到現在仍然沒有研究能夠打印出大型穩定的可以用作器官移植的活體。最大障礙之一就是如何在打印過程中保證細胞存活以及如何將維持器官運作的所有“配件”組裝到一起，比如維持氧氣供應的血管結構。

　　【7】2分鐘可打出10厘米3D打印生物血管“成都造”全球首創

　　3日的新聞發布會上，華西都市報記者羅琴提問成都市委常委、高新區黨工委書記吳凱。談到成都高新區加快自主示范區建設的創新成果時，吳凱以全球首創的生物血管打印機為例，展示了成都國家自主創新示范區的全球領先實力。

　　3D生物血管打印技術使再造器官成可能，將打印機內裝入液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物——這是大家熟悉的3D打印技術，但在成都高新區一家生物科技股份有限公司，科技人員居然可以打印生物血管。

　　吳凱介紹，該公司推出了全球首創3D生物血管打印機，使器官再造成為可能。該技術擁有完全自主知識產權，不久前還在全國“大眾創業萬眾創新”活動周上亮相，引發廣泛關注。

　　記者了解到，僅用2分鐘，該款“成都造”3D生物血管打印機便能打出10厘米長的血管，甚至還包括血管獨有的中空結構、多層不同種類細胞。

　　【8】3D打印助力神經元損傷修復

　　神經系統疾病一直是困擾著醫學工作者的一個難題。而這其中神經元的損傷則是導致神經系統疾病的重要誘因。因此，如果要治療這些疾病，如何修復受損神經元就成為了擺在科學家面前的頭號難題。一直以來，人們都在尋找有效方法來促使受損神經元再生，如今來自明尼蘇達大學、普林斯頓大學等機構的研究人員發現3D打印技術或許將在這一問題上發揮意想不到的作用。

　　科學家們在小鼠實驗中證實了這一想法。他們首先利用3D掃描獲得了小鼠坐骨神經的輪廓，然后再利用3D打印技術打造出了一個內含能夠促進神經元再生化學成分的硅酮類支架。研究人員通過手術將這種支架植入到小鼠的坐骨神經的損傷處，經過10-12周的培養，小鼠受損的行動功能獲得了明顯改善。

　　參與這一研究的Michael McAlpine表示，這一結果表明3D打印技術將可以為促進復雜神經元功能的恢復起到重要作用。此前盡管有類似研究證明3D打印技術可以幫助線性神經元再生，但是利用該技術實現如坐骨神經神經元等復雜神經元的感知和運動功能恢復尚屬首次。

　　【9】如何實現3D打印人體組織?

　　Aspect Biosystems位于加拿大溫哥華，是一家屢獲殊榮的生物技術初創公司，專門從事3D生物打印和人體組織工程。該公司生產的一款3D打印機，可以通過3D打印制造出具有全面生物功能的人體組織，并可被用于危險或實驗性藥物的測試中，最終還可能制造出可移植的生物打印器官。

　　Aspect Biosystems是由加拿大不列顛哥倫比亞大學的一群研究人員創建，啟動資金是該校的導師創業組織entrepreneurship@UBC。其獨有的生物打印技術是將活細胞材料放入液化的水凝膠，再注入3D打印機中，逐層擠壓成特定的形狀。制作出的活生物結構將被放置起來進行孵化和培養，讓其可以開始作用，創造出擁有生物學功能的活體組織。

　　近年來，為使動物免于再受傷害，人們對藥物測試替代方法的需求變得日益迫切。而且，動物試驗對許多疾病和狀況會產生不一致或假陽性反應，使得其無法在人體試驗中進行模擬。利用生物打印的類人體組織進行藥物測試，能消除動物試驗固有的不可靠性，并節省藥物開發的支出。

　　【10】Biomaterials：3D打印腦組織 可研究腦疾病

　　大腦是一個極其復雜的機體結構，其擁有大約86億的神經細胞，目前研究者所面臨的挑戰就是創建一種臺式腦組織，這樣研究者就可以對大腦的結構進行精細化研究了。近日一篇發表在國際雜志Biomaterials上的一項研究報告中，來自國外的研究人員通過模擬腦組織的結構開發出了一種摻入神經細胞的新型3D打印層狀結構。

　　臺式腦組織的價值非常巨大，許多醫藥公司都花費了數百萬美元來檢測治療性藥物對動物模型的反應，目的就是在臨床試驗中來證實新型藥物的多種作用，但他們并不確定人類的大腦和動物大腦到底差異性有多大。可以精確反應真實大腦組織的臺式腦組織或許不僅可以幫助研究藥物效應，而且還能幫助研究大腦障礙的發病機制，比如精神分裂癥或神經變性的腦部疾病等。

　　【11】這次3D打印技術要讓Ⅰ型糖尿病患者受益啦

　　對于Ⅰ型糖尿病患者來說，“胰島移植”這種實驗性手術也許可以幫助他們解決胰島素缺乏的問題。這種手術將健康捐獻者的胰島細胞移植到Ⅰ型糖尿病患者體內，但是帶來的副作用則是患者需要終身服用免疫抑制類藥物以防止身體對外來植入細胞產生排斥反應。最近，科學家找到了一種新的辦法–利用3D打印的支架對移植胰島細胞進行保護。這種技術展示出了巨大潛力，有望幫助Ⅰ型糖尿病患者更輕松的管理自己的疾病。

　　1型糖尿病患者很害怕血糖過低，因為這會引發一系列并發癥(低血糖癥)，包括頭暈、出汗甚至是失去知覺和死亡等。Diabetes UK數據顯示，大約1/3的Ⅰ型糖尿病患者都被低血糖癥困擾著。

　　為了改善胰島移植手術的成功率和提高Ⅰ型糖尿病患者的生活質量，荷蘭特文特大學的研究人員打造了特殊的支架設備保護胰島細胞。他們的想法是利用3D打印支架設備保護胰島細胞免受患者免疫系統的攻擊，為其更好地發揮功能創造條件。

　　【12】Nature：3D打印器官復活記

　　3D打印的出現引起了人們在人工器官方面極大的興趣，這意味著替換甚至是提高，人類機械。

　　打印的器官，例如，由新澤西的普林斯頓大學和巴爾的摩的約翰霍普金斯大學的研究者們開發的外耳的原型將在4月15-17號紐約召開的3D打印會議上展出。這個外耳由多種材料打印而成：水凝膠形成一個耳朵樣的支架，細胞生長以形成軟骨，銀質納米顆粒以形成觸角。這個裝置僅僅是越來越多，各種各樣3D打印的一個例子。

　　紐約的這次會議，號稱是該行業最大的盛會，將有大量的小工具和新奇物品的展出。但同時它也將引起對正興起的器官打印市場的認真的討論。

　　拓展：“3D打印”發展現狀及未來發展

　　一、增材制造發展歷程

　　增材制造又稱“3D打印”，是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實體產品。與傳統制造業通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終生產成品不同，3D打印將三維實體變為若干個二維平面，通過對材料處理并逐層疊加進行生產，大大降低了制造的復雜度。這種數字化制造模式不需要復雜的工藝、不需要龐大的機床、不需要眾多的人力，直接從計算機圖形數據中便可生成任何形狀的零件，使生產制造得以向更廣的生產人群范圍延伸。

　　增材制造技術于20世紀80年代末，實現了根本性發展。1986年，第一家3D公司成立，20世紀90年代，GE、波音增材起步，21世紀，空客增材起步。2009年—2012年，中國商飛增材起步。21世紀開始，隨著工藝、材料和裝備的日益成熟，增材制造技術的應用范圍由模型和原型制造進入產品快速制造階段，在航空航天等高端制造領域得到規模應用。

　　二、增材制造技術優勢

　　增材制造技術與傳統的減材制造不一樣，通過計算機輔助三維設計后一層一層疊加制造。能滿足其重量輕、強度高、幾何復雜的要求

　　。其逐層制造的優勢使極其復雜的互鎖零件無需組裝便可投入使用;其產品研發周期短且利于減小庫存;其易變和廣闊的創新設計空間使個性化需求設計門檻變低。

　　縮短制造周期：制造速度快，成形后的零件僅需少量后續機加工，可以顯著縮短零部件的生產周期，滿足快速響應要求。

　　復雜結構得以實現：能輕松實現復雜結構件的制造，同時還能實現單一零件中材料成分的實時連續變化，使零部件的不同部位具有不同的成分和性能，是制造異質材料的最佳工藝，大幅提升了設計和創新能力。

　　滿足輕量化需求，減少應力集中，增加使用壽命：優化復雜零部件的結構，在保證性能的前提下，將復雜結構經變換重新設計成簡單結構，從而起到減輕重量的效果。而且通過優化零件結構，能使零件的應力呈現出最合理化的分布，減少疲勞裂紋產生的危險，從而增加使用壽命。

　　提升零部件的性能：金屬增材制造技術能方便地加工高熔點、高硬度的高溫合金、鈦合金等難加工材料。金屬零件直接成形時的快速凝固特征可提高零件的機械性能和耐腐蝕性能。

　　具有較高的設計自由度：可以構建出其它制造工藝所不能實現的形狀，可以從純粹考慮功能性的方面來設計部件，且無需考慮與制造相關的限制。

　　多品種、小批量生產的經濟性高：無需生產或裝配硬模具，且裝夾過程用時較短，因此不存在需要通過大批量生產才能抵消的典型的生產成本，提高材料利用率。

　　能減少裝配次數：通過增材制造所構建的復雜形狀可以一體成形，能省去投入到裝配工序的工作量、需涉及的堅固件、釬焊或焊接工序，還節省了為裝配操作而添加的多余表面形狀和材料，大大提升了生產效率。

　　三、增材制造主要工藝

　　選區激光熔化技術(SLM)，以高能激光束為能量源，對切片分層后的零件模型進行逐層選擇性掃描、熔化、成形，最終成形復雜金屬零件。主要開展金屬SLM工藝研究與驗證，形成面向增材制造金屬零件的“材料-工藝-設計-測試-評價”的全流程工藝體系，解決傳統中小尺寸復雜金屬零件制造常見的設計保守、機加量大、難加工等問題，實現減重增效。

　　激光熔覆沉積（LMD）技術是一種基于送粉的激光增材制造技術，它的工藝特點是激光照射移動的同時，向掃描區域輸送粉末材料。針對傳統鈦、鋁、等金屬零件制造常見的機加量大、材料利用率低、設計驗證階段開模成本高、加工過量報廢等問題，開展金屬LMD工藝研究與驗證，減少材料和成本的浪費，實現零件成形，同時實現零件的修復和表面改性。

　　熔融沉積成型(FDM)技術的基本原理是將數模數據薄片化，先利用高溫將打印耗材液化，然后通過噴嘴擠壓出一個個微型液態顆粒，被擠出后迅速固化，相互形成一條線，打印頭來回運動形成平面，層層堆積最終完成打印零件。

　　選區激光燒結（SLS）技術采用激光器作能源，將粉末預熱到稍低于其熔點的溫度，將粉末鋪平于工作臺，激光束在計算機控制下根據分層截面信息進行有選擇地燒結，層層燒結成形零件。

　　四、航空領域對增材制造的需求

　　創新設計需求：采用增量制造技術，可擺脫二維制造思想的束縛，直接面向零件的三維屬性進行設計與生產，大大簡化設計流程，從而促進產品的技術更新與性能優化。3D打印技術正在改變我們的設計思維，其在設計自主性和環保方面的優勢，使其在飛機制造業中的地位日益重要。對于3D打印技術應用于航空領域，已經不再是局限于是便宜還是快的討論層面，而是研究整體性能和經濟效益的提升所帶來競爭力的提升。

　　快速制造需求：采用增量制造技術，可擺脫二維制造思想的束縛，直接面向零件的三維屬性進行設計與生產，大大簡化設計流程，從而促進產品的技術更新與性能優化。3D打印技術正在改變我們的設計思維，其在設計自主性和環保方面的優勢，使其在飛機制造業中的地位日益重要。對于3D打印技術應用于航空領域，已經不再是局限于是便宜還是快的討論層面，而是研究整體性能和經濟效益的提升所帶來競爭力的提升。

　　快速設計驗證需求：縮短設計周期。在工業設計階段，3D打印技術低成本快速成型的特點可彌補傳統工藝制作周期長，成本高的問題，設計師可以隨時打印出設計模型驗證設計效果。簡化加工過程�？芍苯蛹庸こ霾糠纸Y構較為復雜的非受力件或受力件、艙門裝飾件等，簡化加工過程。降低成本。3D打印加工過程中對材料的利用相對充分，可以顯著降低制造成本。3D打印所特有的增材制造技術則能很好的利用原材料，利用率高達90%。

　　五、中國商飛公司的發展現狀及規劃

　　中國商飛增材制造產品實踐始于2009年，通過LMD技術實現了C919櫞條和窗框的快速研制，并在C919翼身組合體上安裝，通過了靜力試驗。2012年起與飛而康合作開始SLM工藝的研發與典型件裝機認證工作，目前應急和服務艙門37個件，其中29個件是取證構型，正在認證中；2018年起開始在非金屬增材方面投入，目前主要集中在利用FDM和SLS工藝進行生產輔助應用支持，包括ARJ21通風窗裝飾罩和防冰排氣口堵蓋等；在結構優化設計方面，目前主要集中在于SLM的工藝協同優化設計，前期也做了鉸鏈臂的拓撲優化設計并實現了打印驗證，通過多輪迭代零件從3.5kg減重到2.2kg，實現減重37%。

　　六、增材制造技術發展趨勢

　　未來，增材制造技術將面向5個“任何”持續發展。即任何領域，任何場所，任何材料，打印出任何形狀、任何數量的輕量化產品。例如，將太空“空間站”變為“制造工廠”，通過運載火箭“快遞”原材料、增材制造設備和機器人到其他星球，首先實現增材制造設備的自我復制，同時實現基地的打印建造，為外星移民提供條件。

　　增材制造技術的應用將推動高品質鈦粉的不斷創新。未來鈦粉在航空航天及汽車等領域發展潛力巨大，鈦的粉末成型技術將走向個性化、精密化、大型化和輕量化。受技術提高的影響，打印機的成本和價格將大幅降低，使得民用級別增材制造打印機成為現實。

　　科技創新。為新合金材料的研究提供科研平臺，加速中國制造，基于技術革新實現輕量化，從而使得航空航天用構件的制造成本大大降低。探究“3D打印+傳統制造”的新模式。采取創新的的方法，加大研究力度，不斷進行改進與更新;使兩種制造方式并存、互補。

　　建立航空航天及汽車等方面的增材制造輕量化國家標準，讓增材制造產業市場規范化運行。

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