3D打印技術(shù)是制造業(yè)的未來(lái)，發(fā)展至今打印速度和規(guī)模得到了極大提高，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也逐步擴(kuò)大。近年來(lái)，3D打印技術(shù)發(fā)展如何？在哪些領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展？

中國(guó)工程院院刊《Engineering》刊發(fā)《3D打印技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域取得進(jìn)展》一文，在分析3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，概述了連續(xù)液體界面生產(chǎn)技術(shù)、高面積快速打印技術(shù)等3D打印新技術(shù)。文章指出，3D打印技術(shù)正不斷擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域并取得顯著發(fā)展，如汽車(chē)零部件、體育器材、生物醫(yī)學(xué)、房屋建造、火箭制造等領(lǐng)域。最后，文章提到，3D打印在技術(shù)、政策及體制方面面臨著諸多挑戰(zhàn)，仍需進(jìn)一步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)更多技術(shù)進(jìn)步。

3D打印概念成為主流已近40年，倡導(dǎo)者稱贊這項(xiàng)技術(shù)是“制造業(yè)的未來(lái)”（future of manufacturing）?，F(xiàn)在， 3D打印的打印速度和規(guī)模得到極大提高，生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用范圍也逐步擴(kuò)大。近年來(lái)，這些進(jìn)步均證明了3D打印技術(shù)正越來(lái)越靠近人們對(duì)它的預(yù)設(shè)。

當(dāng)今最常見(jiàn)的3D打印種類，即增材制造，使用光線將液態(tài)塑料樹(shù)脂逐層固化為固體。這個(gè)過(guò)程通常比較慢，制造手持設(shè)備常常需要大半個(gè)下午。此外，各層之間的接口往往比較脆弱，成品結(jié)構(gòu)易碎。因此，3D打印并沒(méi)有取代傳統(tǒng)的制造過(guò)程，而是和一些非常特殊的用途聯(lián)系起來(lái)。美國(guó)伊利諾伊州埃文斯頓西北大學(xué)工程學(xué)教授Chad Mirkin表示：“在很大程度上，3D打印主要局限于原型設(shè)計(jì)，因?yàn)樗俣嚷a(chǎn)量低、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定?！?/p>

大約5年前，美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)的工程師發(fā)明了一種新型的3D打印技術(shù)，即“連續(xù)液體界面生產(chǎn)”（CLIP），與同類技術(shù)相比，這種技術(shù)的生產(chǎn)速度提高了100倍。這項(xiàng)技術(shù)獲得極大的進(jìn)步。位于美國(guó)加利福尼亞州雷德伍德市的一家名為Carbon公司獲取了該項(xiàng)技術(shù)，該公司采用了一種半滲透窗，可以將氧氣注入液體樹(shù)脂，從而形成一種能防止固化的薄的“死區(qū)”（dead zone）。在該區(qū)域上方，光線將樹(shù)脂固化成固體。機(jī)械臂緩慢地將不斷增長(zhǎng)的固體從樹(shù)脂中拉出，使其他材料得以固化和黏附，這種技術(shù)無(wú)需一系列層合界面，因此產(chǎn)品更加堅(jiān)固。

盡管CLIP的速度提高備受關(guān)注——Carbon公司已與福特汽車(chē)公司、阿迪達(dá)斯體育用品公司和里德?tīng)栿w育公司達(dá)成協(xié)議，分別為它們生產(chǎn)汽車(chē)零件、運(yùn)動(dòng)鞋底和橄欖球頭盔，但其固化過(guò)程會(huì)釋放出大量熱量，這可能導(dǎo)致打印的零件翹曲和破裂。為了散熱，打印的成品尺寸實(shí)際上被限制為25cm×25cm×41cm。

Mirkin說(shuō)：“Carbon公司證實(shí)了3D打印可被用于制造業(yè)，而且他們?cè)谠S多行業(yè)做得都非常好，但是他們還沒(méi)有找到快速打印大型物體的方法?！?/p>

■圖1：一種名為HARP的新型3D打印技術(shù)，該技術(shù)使一層液態(tài)冷卻劑在一大桶液態(tài)樹(shù)脂下面循環(huán)，從而消除物體打印時(shí)隨著體積不斷擴(kuò)大而產(chǎn)生的熱量，使它們?cè)诙潭處讉€(gè)小時(shí)內(nèi)就可以達(dá)到成年人的尺寸。這款HARP打印機(jī)高約4 m，帶有0.76 m×0.76 m的打印床，可以打印一個(gè)大型的連續(xù)結(jié)構(gòu)或許多不同的小型結(jié)構(gòu)。來(lái)源：美國(guó)伊利諾伊州埃文斯頓西北大學(xué)（新聞稿）

在2019年年末，Mirkin的團(tuán)隊(duì)宣稱其開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)名為“高面積快速打印”（HARP）的新技術(shù)，該技術(shù)使液體冷卻劑在一桶液態(tài)樹(shù)脂下面循環(huán)。冷卻劑是一種氟化油，在打印時(shí)會(huì)直接從正在打印的物體上吸走熱量，從而使它們?cè)诙潭處讉€(gè)小時(shí)內(nèi)就可以達(dá)到成年人的尺寸（圖1）。Mirkin將使用多臺(tái)投影儀發(fā)出的光進(jìn)行打印的方法稱為“平鋪”（tiling）工藝，其打印尺寸可以達(dá)到約1 m×1 m×4 m。將來(lái)，其他投影儀可使HARP 能夠制造更大的物品。“從理論上講，平鋪工藝消除了尺寸限制，”Mirkin說(shuō)。

為了使HARP商業(yè)化，Mirkin和同事成立了Azul 3D公司（位于美國(guó)伊利諾伊州斯科基市），該公司預(yù)計(jì)在2021年年底前開(kāi)始銷售打印機(jī)。Mirkin希望HARP能改變3D打印的商業(yè)模式。“幾乎所有的3D打印公司都必須從他們的硬件上獲得可觀的收入，因?yàn)樗麄兏緵](méi)有使用足夠的樹(shù)脂來(lái)使此項(xiàng)技術(shù)具有良好的商業(yè)模式?！彼硎荆敖柚鶫ARP，該公司不需要僅依靠銷售硬件來(lái)獲得收入，因?yàn)樗麄冞€可以通過(guò)銷售生產(chǎn)大量零件所需的樹(shù)脂來(lái)賺錢(qián)。這樣，由于初始硬件成本幾乎變得無(wú)關(guān)緊要，所以HARP降低了進(jìn)入門(mén)檻?！?/p>

3D打印技術(shù)正顯示出其在處理微小物體方面的潛在價(jià)值。將傳統(tǒng)3D打印機(jī)中使用的“墨水”（塑料、聚合物和金屬合金）換成嵌入生物介質(zhì)中的活細(xì)胞，這項(xiàng)技術(shù)將成為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的一個(gè)有趣工具，未來(lái)有可能被用于制造替代組織。3D生物打印已被用于制造簡(jiǎn)單的組織，如皮膚、軟骨和部分心肌。隨著技術(shù)的進(jìn)步，3D生物打印可能會(huì)被用于制造更復(fù)雜的器官，如視網(wǎng)膜、腎臟和肺。主要的挑戰(zhàn)包括組成器官的各種各樣的細(xì)胞類型，以及需要提高足夠的分辨率來(lái)打印輸送氧氣和清除廢物的微小血管。

“我不知道我們能否達(dá)成這個(gè)目標(biāo)——有各種不同的細(xì)胞類型和維持它們存活所需的血管系統(tǒng)，器官實(shí)在是太復(fù)雜了?！泵绹?guó)明尼蘇達(dá)州明尼蘇達(dá)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)教授Michael McAlpine說(shuō)，“我們一直以來(lái)的錯(cuò)誤在于試圖完全復(fù)制生物學(xué)。也許通過(guò)聚合物和電子技術(shù)，你可以制造出一個(gè)能像肝臟一樣工作的設(shè)備，但實(shí)際上該設(shè)備比大自然創(chuàng)造出來(lái)的要好得多?！?/p>

3D生物打印已得到了更直接的應(yīng)用，其中包括藥物發(fā)現(xiàn)和消費(fèi)品測(cè)試。在McAlpine的許多項(xiàng)目中，有一個(gè)可用于脊髓再生的3D打印設(shè)備和嵌入有可監(jiān)測(cè)患者生理和生化標(biāo)志物的傳感器的電子紋身。

■圖2：Icon公司（位于美國(guó)得克薩斯州奧斯汀市）的Vulcan II 3D打印機(jī)堆積了一層大約2.5cm×5cm的名為“l(fā)avacrete”的混凝土基線材料，建造了如圖所示的37m2房屋的墻壁，花費(fèi)了約24h。（來(lái)源：Icon公司）

■圖3：Icon公司的Vulcan II 3D打印機(jī)位于三個(gè)結(jié)構(gòu)的最末端，該打印機(jī)在美國(guó)得克薩斯州奧斯汀市的一個(gè)地基上創(chuàng)建了三座37 m2  房屋的墻壁，這些房屋的平面圖各不相同。（來(lái)源：Icon公司）

雖然3D生物打印主要集中在很小的領(lǐng)域，但是美國(guó)得克薩斯州的創(chuàng)新者正在使用超大規(guī)模的3D打印來(lái)建造房屋（圖2）。位于得克薩斯州奧斯汀市的建筑技術(shù)公司Icon開(kāi)發(fā)了一臺(tái)名為Vulcan II的3D打印機(jī)，該打印機(jī)可以在大約24 h內(nèi)打印37 m2 的兩居室房屋的墻壁。Vulcan II是專門(mén)為偏遠(yuǎn)農(nóng)村的房屋建造而設(shè)計(jì)的，由于有限的資源、無(wú)法預(yù)測(cè)的天氣以及不穩(wěn)定的電源，使用傳統(tǒng)的建筑方式幾乎是不可能完成房屋建造的。這臺(tái)高 3.5m、重1725kg的機(jī)器連續(xù)堆積了一層高2.5cm、寬5cm的被稱為“l(fā)avacrete”的可延展型混凝土基線材料，并將其硬化成墻（圖3）。

Icon公司目前正在51英畝（注：1 acre=4046.873m2）土地上為美國(guó)奧斯汀東北部地區(qū)的無(wú)家可歸者打印數(shù)十套房屋，并為墨西哥塔巴斯科小鎮(zhèn)約50個(gè)家庭提供房屋。雖然Vulcan II減少了建造房屋的工作量，但建造過(guò)程并非一步到位，工人仍然需要打下地基并安裝屋頂。3D打印房屋除了能節(jié)省時(shí)間外，與其他低成本住房相比，它還能夠打印平滑曲線和傾斜墻壁以實(shí)現(xiàn)其更自由的設(shè)計(jì)。

■圖4：Relativity Space公司（總部位于美國(guó)加利福尼亞州洛杉磯市）的 Stargate 3D打印機(jī)使用定向能量沉積制造巨大的金屬物體，如火箭的燃料箱和發(fā)動(dòng)機(jī)。打印機(jī)高9 m，且具有3個(gè)龐大的機(jī)械臂。一只機(jī)械臂使用強(qiáng)大的激光來(lái)熔化金屬絲，金屬絲會(huì)逐層沉積以形成火箭的零件。另外兩只機(jī)械臂用于固定工具以完成打印的部件（來(lái)源：Relativity Space公司）

在另一項(xiàng)大規(guī)模應(yīng)用中，總部位于美國(guó)加利福尼亞州洛杉磯市的Relativity Space公司開(kāi)發(fā)了一種名為“Stargate”的3D打印機(jī)（圖4），用于建造幾乎不以地面為基礎(chǔ)的物體，即30 m高的火箭飛船。Relativity Space公司計(jì)劃用3D打印技術(shù)打印第一枚火箭的整個(gè)生產(chǎn)線，即 Terran-1，但不包括電子設(shè)備、電纜和少量活動(dòng)部件。相比之下，SpaceX、Blue Origin和其他公司也使用3D 打印技術(shù)，但僅用于生產(chǎn)部分零件。Relativity Space 公司與許多衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商簽訂了發(fā)射有效載荷的合同，并同意他們使用美國(guó)國(guó)家航空航天局位于密西西比州漢考克縣的John C.斯坦尼斯航天中心的兩個(gè)測(cè)試設(shè)施。該公司還獲得了從美國(guó)佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地的“Launch Complex-16”發(fā)射“Terran1”火箭的權(quán)利，其中第一枚火箭有望在2021年發(fā)射。

盡管火箭通常由數(shù)千個(gè)單獨(dú)的零件組成，但Relativity Space公司設(shè)計(jì)的零件卻合并了一些部件，這些部件通常是被分開(kāi)制造然后組裝的。所以，他們的火箭零件數(shù)量將是同類火箭的零件數(shù)量的1/100。更少的零件意味著更少的接口和更少的出錯(cuò)機(jī)會(huì)。此外，盡管大多數(shù)制造商必須重新配置其設(shè)備以制造額外的硬件，但Relativity Space公司只需要在打印機(jī)軟件中運(yùn)行一個(gè)新程序即可創(chuàng)建下一個(gè)零件。而且與傳統(tǒng)的火箭制造相比，該公司的3D打印機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)更改也更容易且成本更低。

“一般，航天工業(yè)要規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，相較于創(chuàng)新，更希望有更多的信心實(shí)現(xiàn)成功發(fā)射。”安全世界基金會(huì)私營(yíng)部門(mén)項(xiàng)目主任Ian Christensen說(shuō)，該基金會(huì)總部位于美國(guó)科羅拉多州布魯姆菲爾德市，其致力于促進(jìn)和平可持續(xù)的外層空間的利用?！跋?D打印火箭這樣完全新穎的東西，市場(chǎng)將如何反應(yīng)，這是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題?！?/p>

僅僅因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中3D打印已經(jīng)開(kāi)始滿足人們對(duì)它的期望，但人們?nèi)杂懈嘈坌牟哪繕?biāo)。Relativity Space公司不僅不滿足于通過(guò)制造火箭將衛(wèi)星送入軌道，還著眼于將打印機(jī)運(yùn)送到火星，以便在火星上打印火箭，從而將土壤樣本送回地球?！斑@種采樣返回的概念在理論上是有趣的，但幾乎可以肯定，它需要與政府的太空探索和行星科學(xué)項(xiàng)目相結(jié)合，而這些項(xiàng)目進(jìn)展緩慢?！盋hristensen說(shuō)，“像在技術(shù)方面的挑戰(zhàn)一樣，這一概念在政策及體制方面也面臨著挑戰(zhàn)?！?/p>