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三维打字与印刷心脏黑科学和技术刷屏,分析3D打字与印刷机的前途前途

3D打印是快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。近几年来,随着3D打印被大家逐渐熟知,3D打印技术的应用领域也逐渐拓宽。那么,问题来了,3D打印机的未来前景到底如何呢?请跟小编一起来探讨一下吧!

最近,干细胞又有一项“黑科技”刷了屏:

上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场,其实3D打印技术并非新兴产物。3D打印机技术在成长发展时期一直被少数人所关注和使用,但技术的改变让3D打印成为了目前世界上最令人关注的技术之一并不为过,甚至有人称3D打印将会是第四次工业革命的起点。

以色列的一个科研团队,将由脂肪细胞诱导而来的干细胞制成“生物墨水”,再结合3D打印技术,制成了一颗人造心脏!

中国首家3D打印体验馆的一幕。房间里的灯罩、鞋、玩具、人像等人们所能看到的一切摆件,都非工业流水线或手工制作而成,而全部出自一部机器――3D打印机。那么,3D打印真能颠覆传统制造?

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带着各种疑问,让我们一起了解3D打印技术的各个应用领域,看看3D打印机的未来前景如何。

虽然这个人造心脏比真实的人类心脏小100倍,只是一个微缩原型,但这却是人类“首次成功设计并打印出一个具有细胞、血管、心室和心房的心脏”。

应用领域

3D技术+医疗=变革与奇迹

3D打印机的应用对象可以是任何行业,只要这些行业需要模型和原型。3D打印机需求量较大的行业包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。

在一般的印象中,3D打印更多用于制造业,通过3D打印机短时间内轻松复制出复杂的外型,被称为将带来制造业革命的技术:

航天和国防。GE中国研发中心的工程师们仍在埋头研究3D打印技术。就在这之前,他们刚刚用3D打印机成功打印出了航空发动机的重要零部件。与传统制造相比,这一技术将使该零件成本缩减30%、制造周期缩短40%。来不及庆祝这一喜人成果,他们就又匆匆踏上了新的征程。鲜为人知的是,他们已经秘密研发3D打印技术十年之久了。

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医疗行业。一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染,因此换上了由3D打印机打印出来的下颚骨,这是世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例。

当然,3D打印也早就被医疗界青眼有加:3D打印在牙科的应用更是早已经风靡全球,在牙科工业造成了革命性的影响。应用最广泛的可能是骨科,现在已经有很多前沿的医院能够做到通过3D打印模拟各种骨结构进行移植,在各种复杂骨组织结构的医疗应用上也十分具有前景。

文物保护。博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害,同时复制品也能将艺术或文物的影响传递给更多更远的人。史密森尼博物馆就因为原始的托马斯杰弗逊要放在弗吉尼亚州展览,所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。

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建筑设计。在建筑业里,工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型,这种方法快速、成本低、环保,同时制作精美。完全合乎设计者的要求,同时又能节省大量材料。

比如2014年,荷兰一家医院便3D打印出头盖骨进行移植,挽救了一位22岁的少女;2015年,我国国内也有医生为一名有严重颈椎病的患者量身制作了3D打印的椎间融合器,进而一次完成连续两个节段颈椎前路手术,成功治疗了一位险些高位截瘫的老人。

制造业。制造业也需要很多3D打印产品,因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产,所以制造业利用3D技术能带来很多好处,甚至连质量控制都不再是个问题。

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食品产业。没错,就是打印食品。研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来,很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机打印出来的。当然,到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。

以上的3D打印材料可能更接近结构的模拟,那么,如果我们再进一步,结合3D打印技术+活的干细胞呢?如果我们除了模仿结构,还能复制出生命力呢?

3D打印成品案例

就目前的研究发展轨迹来看,3D打印+干细胞的组合,可以堪称是“器官打印机”了。

3D打印照相馆。只需要10分钟的3D扫描,等待几小时,就可以得到实体人像。运用3D打印照相技术,打印人偶纪念品。

3D技术+干细胞=器官打印机

3D打印枪。前不久,一则全球首支3D打印手枪的CAD制作文件在网络上被下载了超过10万次的消息引起了人们的恐慌。据报道,手机的打印设备,是Stratasys公司的Dimension
SST型3D打印机。人们之所以恐慌,是因为按照这个道理,只需一台3D打印机就可以把枪制造出来,安全如何保障?

干细胞是什么?在这篇文章中,Dr.博更愿意将干细胞形容为“人体细胞打印机”、“人体组织打印机”或者是“人体器官打印机”。干细胞可以分化成人体的各种细胞,组成人体的各种组织、器官……在生物3D打印技术中,它被作为“生物墨汁”,通过一系列技术引导,在生物支架上生长出成我们需要的组织器官。

3D打印枪像是一个更致命的武器玩具,一个玩具一旦超出了它本身的娱乐特性,涉及到安全问题后,本身的立场也就改变了。去年,美国的科迪威尔逊,他在大学的时候就计划研究3D打印枪,在几个月后,威尔逊和他的该团队实现了这一计划,成功的研制出了取名为解放者的3D打印枪,并且在随后拍摄的视频来演示射击金属钉的实验。这把枪的制造成本是由一台价值8000美元的3D打印机完成的,在之后,设计者试图制作更大口径的子弹来体现这帮枪的威慑力。

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中国龙从3D打印机中脱影而出。自从人类进入工业化时代,大机器的生产方式始终遵循的是模具产品的模式。然而,昨日记者在软交会现场看到,不借助任何模具,一条精雕细刻的中国龙竟从3D打印机中脱影而出。

脑洞大开的科学家们,利用3D打印技术,通过干细胞制成的“生物墨水”,来构架具有生命力的“人体生物结构”,这成为干细胞科技发展的一个令人心驰神往的重要应用方向——3D打印器官。

打印音乐。为了探索3D打印机更多的应用,Rickard Dahlstrand使用Lulzbot
3D打印机创造出独特的艺术。在2013斯德哥尔摩艺术黑客节上,Lulzbot
3D打印机不仅为参加的艺术家和黑客们打印出艺术节的LOGO,而且作为一个表演项目,它还一边播放古典音乐一边相应地打印出可视化的音乐作品。
Lulzbot
3D打印机打印可视化音乐的原理是:该步进电机的运动进行控制可以以不同的速度运行,声音的音调决定速度,从而音乐控制了打印过程。三台电机分别代表一个音轨,它们使用独特的模式运动。两个马达控制Z轴移动。

当我们拥有“器官打印机”以后,会发生什么?

澳研究人员用3D打印机制作出放大版的昆虫标本。澳大利亚有很多出了名的大虫子,比如长达20英寸的泰坦竹节虫(Titan
stick insect)。不过,其国内也有很多微小的昆虫,比如小巧玲珑的wheat
wheevil。(中文学名叫啥来着?)为了能够更进一步地研究微小昆虫,澳大利亚的国家科学机构,便利用3D打印技术,制作出了放大倍数有些夸张的3D副本。

试想用你自己的细胞定制出各种你自己的器官的复制体,那么这些器官可能用于药物试验,看看哪些药物或治疗方式组合针对我们自己最为有效;这些器官也可能直接用于器官移植,人们将不必再苦苦等待器官捐献,身上的器官如“老旧零件”一般可以被更换…

半加工品的3D打印小提琴。日前在国外,世界上第一台3D打印小提琴诞生,但它事实上是一个半成品,这把小提琴的制作者亚历克斯戴维斯用3D打印制作出主要的提琴身体部分后,他和他的团队再铺上报纸和胶水塑料来完成后半程的制作。琴颈部用一块硬纸板以及一些简单的装饰,不久的几日后,在YouTube上大家就听到了一段并不算的悦耳的演示视频,而他的制作者说:这不算什么,只不过花费了一个周末和12美金。

这一切并不是天方夜谈,这次的3D打印心脏就是一个佐证:我们离利用干细胞技术实现3D打印器官已经并没有那么遥远了。

打印干细胞。干细胞又叫起源细胞,是一类具有自我复制能力的多潜能细胞,在一定条件下,它可以分化成多种功能细胞。它是一种未充分分化,尚不成熟的细胞,具有再生各种组织器官和人体的潜在功能。虽然现在3D打印技术还不能将其完美的应用到医疗技术上,但科学家们已经对这种设想进行了深度的尝试。

世界各地,包括中国在内,关于器官与组织的3D打印研究也在不断地突破与进展之中:

替换骨头。其实目前已经有很多的报道都在讨论,3D打印技术应用到医疗事业上是对人类而言最大的福利,对于打印人体器官的想法也一直在不断的实践,打印器官虽然还是一个梦想,但目前已经成功的实现了一些例如头骨的取代,接近75%的完美还原性让3D打印在未来的成熟性值得期待。

2016年,四川华西医院将干细胞打印的3D血管成功植入了恒河猴的体内,这个新闻曾轰动一时。科研人员将间充质干细胞制成3D打印墨汁,构建出具有生物活性的人工血管,并置换了恒河猴体内的一段腹部主动脉——这可能会是全球十多亿心血管疾病患者的福音。

仿声耳。依然还是围绕着医疗技术而言,国外研究人员通过截取人类的小腿细胞聚合物与纳米颗粒制成了可以重新代替人类听觉的接收器,这种类似于无线电信号的仿生耳也就此诞生。

2017年,韩国的科研人员用3D打印技术制造出骨细胞支架,并在支架上种植干细胞,让干细胞最终形成骨髓。

关键词:3D打印机

2018年,爱丁堡大学的科学家结合干细胞技术与3D打印技术,成功培育出了人源3D肝脏组织。

2018年,英国的研究人员成功利用人体干细胞、胶原蛋白和海藻酸首次3D打印出角膜。给眼部疾病患者带来光明的希望。

2018年6月,广州医科大学附属第三医院开启再生医学与3D打印技术转化研究中心在骨修复方向的专门探索,有望利用病人自体干细胞进行分化,形成完全由病人自体细胞和可降解材料组成的各种组织或器官。

展望

结合干细胞的3D打印技术是医疗技术革新的热门领域,两项技术的结合可能会产生1+1>2的效应,更将可能是人类诸多顽疾得以攻克的突破点,是组织器官临床与重建的新思路。生物3D打印技术将极大地解决全球面临的移植用组织及器官短缺的问题。通过整个行业的努力,目前已经卓有成效,虽然还有很长的路要走,但我们有理由相信组织器官的打印必定能够实现。

同时,干细胞技术多领域、多管道的飞速发展也给我们以提示:细胞资源无论对于大到国家还是小到家庭、个人,都将是越来越重要的医疗资源与健康资源。如何利用细胞资源将成为每个国家、机构、家庭、个体思考与重视的重大命题。

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