3d生物打印的关键技术和目前的瓶颈问题培训讲学.doc

精品文档3d生物打印的关键技术和目前的瓶颈问题【摘要】3D生物打印机（3D bio-printer；3D biology printer ）是指国外媒体2010年6月6日报道的、由美国Organov公司研制的、“按需打印”患者所需的人体活器官的机器。器官移植可以拯救很多人体器官功能衰竭或损坏的患者生命，但这项技术也存在器官来源不足、排异反应难以避免等弊端。不过，随着未来“生物打印机”的问世，这些问题将迎刃而解。这种机器首先“打印”器官或动脉的3D模型，接着将一层细胞置于另一层细胞之上。打印完一圈“生物墨”细胞以后，接着打印一张“生物纸”凝胶。不断重复这一过程，直至打印完成新器官。随后，自然生成的细胞开始重新组织、熔合，形成新的血管。每个血管大约需要一小时形成，而熔合在一起需要数天时间。Organovo公司首席执行官基思墨菲在接受工程师杂志采访时指出，最终有一天，只需轻轻按下按钮，就能让3D生物打印机制造出我们所需要的器官。【关键词】3D生物打印 关键技术 瓶颈问题 打印技术 生物 图像数据 图纸转化1.3D生物打印工作原理3D 生物打印机如何工作呢？它需要生物墨水，而最有可能成为墨水的便是人体细胞。首先，研究者将从人们的骨髓或脂肪中提取出干细胞，通过生物化学手段，使它们分化成不同类型的其他细胞。随后，这些细胞将被封存成“墨粉”，每一滴“墨粉”里可能包含 1 万到 3 万个细胞。当 3D 生物打印机开动时，“墨粉”将通过打印头聚拢在事先设计的部位上，打印器官的雏形便逐渐显现。在开动 3D 生物打印机前，还必须完成器官的结构设计，这犹如一幢大楼的设计图纸。为了打印出与目标器官形状、大小及内部结构相近的 3D 器官，必须事先通过三维成像或超声的方法，对人体器官进行精确的测量。 当 3D 生物打印机工作时，每一滴“墨粉”出现在适当的部位后，必须通过特定的生物胶水固定。就像办公用的彩色打印机一样，13D 生物打印机的“墨盒”里也会丰富多彩。尽管都是人体细胞，有的将特定用来打印肝脏或肾脏细胞，有的则是制造血管用于连接打印好的肝脏或肾脏组织。当 3D 打印器官初具模样时，“墨粉”和胶水的粘合还不够牢固，它不能被立刻使用，还需进一步的修饰过程。此时，这一被 3D 打印机创造的器官将被放入特定的培养箱里，在各类细胞生长因子的刺激下，实现组织结构和生理功能的完整，直至符合人体移植的要求。2.3D生物打印的关键技术3D生物打印过程如下：3D生物打印机在设计文件指令的导引下，先喷出固体粉末或熔融的液态材料，使其固化为一个特殊的平面薄层。第一层固化后，3D生物打印机打印头返回，在第一层外部形成另一薄层。第二层固化后，打印头再次返回，并在第二层外部形成另一薄层。如此往复，最终薄层累积成为三维物体。 一、3D生物打印所需设备和材料：3D生物打印机：工业级3D生物打印机、桌面型3D生物打印机，以及其他3D生物打印制造设备（快速成型机、快速制造设备）。 三维扫描与软件：三维扫描仪、三维激光雕刻机、激光制版、激光设备、三维测量仪、三坐标测量机/仪、激光跟踪仪、三维相机、三维激光抄数机； 三维设计系统 、运动捕捉系统、三维摄影测量系统、数控系统； 检测与逆向工程软件、三维检测软件、普及应用3D设计软件、打印软件等。23D生物打印材料：光敏树脂、塑料粉末材料（尼龙、尼龙玻钎、尼龙碳纤维、尼龙铝粉、Peek材料）等、金属粉末材料（模具钢、钛合金、铝合金以及钴铬钼合金、铁镍合金）、聚乳酸（PLA，使用可再生的植物资源所提出的淀粉原料制成）、骨粉、细胞介质和生物墨水等。二、3D生物打印技术：3D生物打印技术是一系列快速原型成型技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。3D生物打印技术可大致归纳为挤出成型、粒状物料成型、光聚合成型三大技术类型，每种类型又包括一种或多种技术路径。目前市场上的快速成型技术大致有3DP 技术、FDM熔融层积成型技术、SLA激光光固化技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术、LOM分层实体制造技术和PCM无模铸型制造技术等。3 1、3DP技术：采用3DP技术的3D生物打印机使用标准喷墨打印技术，原料使用粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等。3DP技术工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件。采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩，还可以将彩色分析结果直接描绘在模 型上，模型样品所传递的信 2、FDM熔融层积成型技术： 熔融挤出成型(FDM)工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。一层一层叠加，直至形成整个实体造型。与其他的3D生物打印技术相比，FDM是唯一使用工业级热塑料作为成型材料的积层制造方法，打印出的物件可耐受高热、耐受腐蚀性化学物质、抗菌和抗强烈的机械应力，其成型材料种类多，成型件强度高、精度较高，被用于制造概念模型、功能原型，甚至直接制造零部件和生产工具。3、SLA激光光固化技术：SLA以光敏树脂为原料，这种液态材料在一定波长(x=325nm)和强度(w=30mw)的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应, 分子量急剧增大, 材料也就从液态转变成固态。液槽中会先盛满液态的光敏树脂，氦镉激光器或氩离子激光器发射出的紫外激光束在计算机的操纵下按工件的分层截面数据在液态的光敏树脂表面进行逐行逐点扫描，这使扫描区域的树脂薄层产生聚合反应而固化从形成工件的一个薄层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得到三维实体模型。该方法成型速度快，自动化程度高，可成形任意复杂形状，尺寸精度高，主要 应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。SLA有两大类，一种是Objet为代表的，从下到上打印的。另一种是FormLabs为代表的，从上往下打印的。4 4、SLS选区激光烧结技术：SLS选区激光烧结技术是通过预先在工作台上铺一层粉末材料，然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。该方法制造工艺简单，材料选择范围广，成本 较低，成型速度快，主要应用于铸造业直接制作快速模具。SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂、金属粉末和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。世界上的每一个国家和民族都有自己的饰品文化，将这些饰品汇集到一起再进行新的组合，便可以无穷繁衍下去，满足每一个人不同的个性需求。5、DLP激光成型技术：DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似，不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术 速度更快。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。送人 有实用价值 装饰（三）DIY手工艺品的“自助化”2.3D生物打印技术瓶颈 （六）DIY手工艺品的“创作交流性” 3D生物打印机自从诞生以来就给人一种“无所不能”的感觉，它可以打印人们日常生活用品，小到一只笔大到一辆车，甚至可以“建造”一幢房子，总之只有你想不到的没有它做不到的。但是人们往往只看到了它的神奇之处，3D生物打印机带给我们神奇的同时又隐藏着怎样的问题？ 能打印出什么关键看耗材 3D生物打印是添加剂制造技术的一种形式，在添加剂制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。3D生物打印机相对于其他的添加剂制造技术而言，具有速度快，价格便宜，高易用性等优点。 根据3D生物打印的原理来说，只要给3D生物打印机的使用与模型相同的材质，就能打印出于模型几乎一模一样的东西。比如面包，你使用面粉做材料，打印的面包是可以吃的，你使用塑料、石膏等材料打印的只能是面包的模型。 然而关于3D生物打印的耗材并不广泛，从3D生物打印的原理来说，3D耗材的扩展，决定了3D生物打印机的能力边界。目前主要为塑料丝、金属丝、石膏粉等，这些材料无论是在精度和应用范围来说，让目前的3D生物打印机还停留在模型的制造上，它的更大价值还没有完全发挥出来。 耗材问题难以解决 几乎每一项新技术应用，都会经历很长的市场培育期。3D生物打印技术虽然已有近20年的发展历程，但仍存在缺陷。 耗材的局限性是3D生物打印不得不面对的现实。目前，3D生物打印的耗材非常有限，现有的市场上的耗材多为石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料等。如果真要“打印”房屋或汽车，光靠这些材料是远远不够的。比如最重要的金属构件，这恰恰是3D生物打印的软肋。 耗材的缺乏，也直接关系到3D生物打印的价格。打印一件飞机零部件，某种样品的金属粉末耗材一斤就要卖4万元，所以3D生物打印样品至少要卖2万元。但是，如果采用传统的工艺去工厂开模打样，几千元就可以做到。” 由于3D生物打印工艺发展还不完善，特别是对快速成型软件技术的研究还不成熟，目前快速成型零件的精度及表面质量大多不能满足工程直接使用，不能作为功能性部件，只能做原型使用。 以Stratasys公司3D生物打印车为例，车子固然能“打印”出来了，但是否能在路上顺利跑起来？使用寿命又有多长？从现有的技术来看，恐怕有点够呛：由 于采用层层叠加的增材制造工艺，层和层之间的粘结再紧密，也无法和传统模具整体浇铸而成的零件相媲美，这意味着在一定外力条件下，“打印”的部件很可能会散架。3D生物打印技术的确可以改变产品的开发、生产，但赋予3D生物打印“第三次工业革命”有点言过其实。单件小批量、个性化、及网络社区化生产模式，决定了3D生物打印技术与传统的铸造建模技术，是一种相辅相成的关系。3. 结束语根据调查资料分析：大学生的消费购买能力还是有限的，为此DIY手工艺品的消费不能高，这才有广阔的市场。 .从打印各种部件到打印房子，再到打印一个自己(类似蜡像)，3D生物打印正在变革我们的制造业。苹果说自己改变了世界的广告语，曾深得人心，而如今当3D生物打印技术完全揭开面纱敞露于众人眼前，“改变世界”真的不是一句口号，在网络上广为流传的一则视频中，美国威克森林大学再生医学研究所教授展示了这样的场景：在一台沙沙作响的3D生物打印机上，一块柔软的东西被打印出来，据称这是一个用了7个小时打印的“人类肾脏”。枪支、跑车，甚至真实版的变形金刚这着实吓到不少人，照此推测，人类的改变将不再是一星半点。担忧派起打印？想刺杀美国总统怎么做？1993年的美国电影火线追击里，刺客潜心阅读研究模型的杂志，做了一支木头手枪，混过金属探测安检门，在一场宴会上向迎面走来的总统开枪如果有了3D生物打印机，手枪3D图纸输入进去，各种手枪零件就制作出来，恐怕这位刺客能节省不少预谋的时间我相信大胆而富有创新精神的好莱坞编剧，将来一定会把3D生物打印机“打印”武器安排在大片的情节里。其实3D生物打印手枪之类的轻武器，从十几年前3D生物打印技术刚问世，就有人提出过这样的担心。如果人人都可以“打印”枪支，枪支还怎么管控，社会治安岂不是要大乱？以后还用得着走私军火吗？下载全套3D图纸，在全世界任何角度岂不都可以打印出最新最炫的成品？不过现在更让人担心的是，将来人们是不是会打印更复杂的东西，比如飞机、汽车？农民自制飞机，市民自己造潜艇，这样的新闻现在已经多得不算新闻了。可以想象，如果3D生物打印机大规模普及，可以解放甚至激发多少人的创造欲望，全世界的想象力和创造力一定会有极大的解放，甚至会带动创新经济的繁荣。可是这些自己生产的汽车、飞机或者其他机器安全吗？飞机会不会飞着飞着散架？汽车会不会开着开着就刹不住了？万一出事，伤亡的恐怕还不只打印这些机器的人自己呢！对了，前些天美国媒体还报道，有个天才小子自己在家就攒了一个迷你核反应堆是核反应堆，相比之下飞机汽车都弱爆了！话说如果有3D生物打印机，是不是更多人能更容易地造出这样惊世骇俗的玩意儿？毫无疑问，各国政府、科学界、法律界恐怕得赶紧行动，在3D生物打印机普及之前就立下法规，限定3D生物打印机的某些功能和作用。比如网络监管，限制某些敏感设备和枪支弹药的3D图纸传播，限制某些敏感原材料的市场交易，禁止普通人购买，甚至所有3D生物打印机联网监控，一旦有机器试图打印诸如枪支部件、爆炸物部件就及时告警，远程遥控，强制3D生物打印机死机。至于普通人3D生物打印出的复杂机器设备，也必须由相关部门进行安全检验。体现市民生活质量状况的指标-恩格尔系数，上海也从1995年的53.4%下降到了2003年的37.2%，虽然与恩格尔系数多在20%以下的发达国家相比仍有差距，但按照联合国粮农组织的划分，表明上海消费已开始进入富裕状态（联合国粮农组织曾依据恩格尔系数，将恩格尔系数在40%-50%定为小康水平的消费，20%-40%定为富裕状态的消费）。 中国期刊全文数据库 前10条 营销环境信息收集索引 （二）大学生对DIY手工艺品消费态度分析1 ;Pro-Pen3000打印机是工业打印技术的突破J;中国对外贸易;2001年05期 世界上的每一个国家和民族都有自己的饰品文化，将这些饰品汇集到一起再进行新的组合，便可以无穷繁衍下去，满足每一个人不同的个性需求。2 杨仅池;CANON打印机打印技术J;现代电子技术;1999年11期 3 耿军;袁斌;陈晓军;超级打印机下凡IBM看打印技术J;每周电脑报;2003年18期 4 ;分别处理 并行完成IBM打印机采用“Extreme”技术J;每周电脑报;1997年37期 如果顾客在消费中受到营业员的热情，主动而周到的服务，那就会有一种受到尊重的感觉，甚至会形成一种惠顾心理，经常会再次光顾，并为你介绍新的顾客群。而且顾客的购买动机并非全是由需求而引起的，它会随环境心情而转变。 精品文档