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制造业的革命:3D打印术

发布时间:2017-12-07 08:59:00 文章来源:未来智讯    
    我们的生活用品都是用机器制造的,从原材料到产品成型,要经过一道道工序,要制造出架飞机就更复杂了。但这架小飞机是用激光烧结打印机,通过层层打印的方式,造出塑料或金属结构,用“卡扣固定”技术连接,整架飞机在几分钟内完成组装,不要任何工具。
    自电脑问世后,1984年惠普公司的工程师发明了喷墨打印机,这种让设计与印刷融为体的技术,给人们的工作和生活带来了方便。2010年,位名叫恩里科-迪尼的发明家设计出了神奇的3D(三维)打印机。工作时,它那1000个喷嘴中会同时喷出沙子和镁基胶,形成特定的形状,最终“打印”出一个完整的雕塑或模型。迪尼的发明打开了科学家的思路:将打印机里的墨水换成塑料、尼龙、金属粉末,不是就这些可都是利用3D打印术打印出来的,你相信吗,可以按设计程序制造出零部件吗?很快,各式3D打印机很快就用到了生产上。制造商发现,像飞机、汽车上的挂钩、扶手等一些简单产品,用打印制造比传统造法更快、更省钱。
    最近,美国麻省理工学院用3D打印技术制作出了一支能够正常吹奏的长笛。德国专业小提琴制作公司也用3D打印技术制作一把斯特拉迪瓦里小提琴的复制品,它采用了独特而复杂的激光烧结技术,这种技术可以让复制品看起来更加接近手工制品的水平,但使用的原料是工业聚合物,而不是木材。2011年11月,美国和加拿大两家公司用3D打印技术制造出一辆汽车。它以电池和汽油作为混合动力,每加仑汽油能够在高速公路上行驶320千米,在城市道路上能行驶160千米。这款汽车不仅环保,而且安全性高,造价也不贵。
    3D打印无所不能
    打印巧克力今年1月,在英国伦敦奥林匹克展览馆举行的英国礼品展销盛会上,3D巧克力打印机成了电子产品中的一大亮点,吸引了很多商家和人们的眼球。这是英国埃克塞特大学研究人员发明的新型的三维打印机,它的墨盒里装的不是墨水,而是不同色彩的液态巧克力。打印时,先生成一个平面的横截图,然后用巧克力液层层打印,好像将平面的纸铺叠,堆成三维的立体形状。印完层,等它凝固后,机器才喷第二层,不像传统制作一次成型,速度不是很快。早在2010年,美国康奈尔大学的工程师就研制生产食品的3D打印机,但没有很好地解决食物原料溶化和凝结的恰当温度,喷嘴的设计也有些问题。而埃克塞特大学的发明解决了这些难题,使3D打印用于餐馆和食品加工成为可能。
    打印毛细血管挽救器官器质性病变者的生命,目前最有效的办法是器官移植。据统计,我国每年有150万病人等待器官移植,但有幸排上手术的只有1万人,大多数病人都在等待中死去。原因之是受传统观念的影响,意外死亡后捐赠器官的人很少,器官不够用;二是用组织工程培养的器官还不能实用,科学家还不能造出毛细血管,无法给人造组织和器官运送氧气和营养。我国曹谊林教授曾完成了裸鼠背上再生人耳,但这种用组织工程方法培养的耳朵,由于缺乏毛细血管,支撑不了几周就会死亡。以现在的生物技术,用病人的干细胞培养出组织和些器官并不难,难的是如何在组织和器官中布局神经和血管。
    就在医学家们进退维谷时,德国科学家将3D打印技术“双光子聚合技术”相结合,用高分子聚合物制造出了毛细血管。科学家用高功率激光让聚合物分子按程序重组,成为一块有弹性的固体后,再合成高精度的弹性毛细血管结构。这种人造毛细血管具有生物的相容性,能与组织相互融合。这项发明使医学组织工程技术如虎添翼,也将给需要器官移植的患者带来福音。
    打印皮肤人体的皮肤展开有2平方米,它使体内环境和体外环境隔开,是人体的屏障。一旦皮肤被大面积损伤,对人体是致命的。在治疗皮肤损伤或烧伤的病人时,植皮是重要的医学手段。但很多皮肤被大面积烧伤的病人不是由于没有皮肤来源,就是由于术后感染而死亡。
    为解决植皮难题,科学家发明了自体皮肤再生培养法,并发明了人工皮。而美国卡罗来纳州再生研究所的科学家则发明了打印皮肤的技术,将皮肤细胞直接种在病人的伤口上。这种3D打印机里放的是细胞培养液,先通过内置的扫描器对受伤的面积和深度进行准确的扫描,并将得到的信息转化为三维数字图象,再决定需要放置多少层细胞和多大的面积,才能恢复成组织原先的结构。皮肤细胞的组织培养比培养皮肤快,细胞的活性也好。这种种皮技术由机器人在无菌环境下进行,医生只需在旁监督调整。直接在病人身上打印皮肤,虽然现在只是实验成功,但科学家估计,20年后它将成为植皮的主流技术。
    打印耳朵东尼是澳大利亚墨尔本一个8岁小男孩,他家有一只可爱的牧羊犬。有一天放学后,东尼如既往地与狗亲热,牧羊犬不知怎么地一口咬掉了他的左耳朵。破裂的耳朵已无法接上,医生只得将伤口处理包扎,并给东尼装了一只硅胶假耳。现在的硅胶假耳,可以用3D打印机制造:通过扫描录下耳朵的三维信息,打印机就用硅胶造出一只可以乱真的假耳,不仔细观察无法区别。
    想用3D技术打印出组织结构与真耳一样的人造耳,这太难了。因为看似简单的外耳,组织中也有精致的血管和神经网络,科学家现在仅能打印软骨。软骨没有固定的形状,结构相对简单,血管也很少。用生物工程的方法培养器官,已取得很大的进展,也许不远的将来可以在支架上长出只活的人耳。用打印的方法生产人耳可以瞬间生成,吸引力很大。但科学家们认为,即使解决了血管与神经网络与其他组织的同步打印,能生产出只活的入耳,怎样与伤口的血管和神经相连,这也是大难题!打印耳朵是生物打印机走向应用的开端,但要真正打印出实用的器官,还得科学家们继续努力!
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