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虽然3d打印让人兴奋,但它的能力仍然相当有限。它可以用来制造出形状复杂的东西,但大多数时候只能使用塑料。即使是更先进的3d打印技术ー一增材制造,也只能使用少数几种合金作为打印材料。但是,如果3d打印机可以使用更广泛的材料作为“油墨”,例如活细胞、半导体、水泥甚至衣服纤维等,精确地进行混合打印的话,会怎么样呢?

哈佛大学的材料科学家詹妮弗路易斯( jenniferlewis)正在研究实现这种设想的化学机制和机器。她可以从零开始打印出形状复杂的物体,精确地添加有利于力学、电学和光学性质的材料。这意味着3d打印技术可以制造出能感知并回应环境刺激的物体。

3d打印

路易斯说:“整合形状与功能是3d打印领域的下一个重大突破。”普林斯顿大学的研究团队已经将生物组织和电子元件混合起来,打印出一只电子耳。剑桥大学的研究人员也已经用视网膜细胞打印出复杂的眼组织。这些进展都令人印象深刻。但路易斯的实验室依然凭借打印材料和打印物体种类的多样性从这些研究中脱颖而出。

2013年,路易斯和她的学生证实,他们已经能打印出微观电极等微型锂离子电池需要的部件。他们还能打印很多其他的东西,例如带有传感器的塑料贴。运动员们也许有一天会戴上这些塑料贴,来监测脑震荡、测量猛烈的冲击等。2014年,她的研究团队首次打印出带有复杂血管网络的生物组织。为了做到这一点,研究人员必须用多种不同的细胞以及支撑这些细胞的基质材料组成打印油墨。

3d打印

另外,他们还用低温时会自行液化的“油墨”创造出一种空心管结构,再在其液化后留下的直径7万5微米左右的管道中注入血管内皮细胞,让其附着在管道内壁,从而发育成血管。这项工作开始着手解决一个困扰人们多年的问题:在创造出用于测试药物或进行移植的人造器官时,如何创造出血管系统,从而让细胞存活。

下一步,他们准备打印出一个功能性的肾脏。目前,他们已经能打印出肾脏的基本功能单元肾元,不仅能帮助药厂加快筛选药物的速度,还能帮助科学家加深对肾脏细节的理解。2016年3月,路易斯的团队再次取得重大突破,在《美国国家科学院院刊》上发表论文,用人体骨髓干细胞等多种材料作为“油”3d打印出带有血管的组织,将打印厚度提升了10倍,达到了1厘米。

打印出的组织存活了6周时间,还在骨生长因子的作用下向骨细胞分化了一个月,让人们看到了器官打印的前景。在离路易斯办公室几百米的一间地下实验室里,有她的研究团队临时选用的3d打印机,装备了显微镜,可以精确打印出带有小至1微米特征的结构(颗人类血红细胞的直径大约是10微米)。另一台3d打印机更大一些,使用多种打印喷头同时打印出不同的油墨,可以在几分钟里打印出包含所需的微结构、1米见方的样品。

3d打印

路易斯的发明的秘诀在于让油墨在制造过程中同时打印。每种油墨的材料都不同,但它们都可以在室温条件下被打印出来。不同的材料意味着不同的挑战:比如细胞在被挤出喷嘴时很脆弱,容易死亡,不管用什么材料,油墨的配方都必须调制得既能在压力下流出喷嘴,又能在目标位置保持形状,“想想牙膏”,路易斯说。

在2013年来到哈佛大学之前,路易斯在伊利诺伊大学香槟分校花了十几年时间来研究陶瓷、金属纳米颗粒、聚合物等非生物的3d打印材料。为了让材料在压力下(喷嘴处)流动但在压力去除后(挤出喷嘴后)又能很快硬化,她在材料中加入了微型颗粒来保持材料的形状。这些颗粒可以由各种材料制成,例如环氧树脂和陶瓷等耐高温的高强度材料以及适合电阻器、电容器、电池、电动机、电磁体等各种元件的材料。

3d打印

当她在哈佛设立新实验室并第一次开始使用生物细胞和组织来打印时,她希望用处理非生物材料的方法来处理这些材料。现在她承认,这个想法有些天真。对制造具有复杂生物功能的人造组织来说,打印血管是振奋人心的一步。但使用这些细胞材料“非常复杂”,她说,“在我们打印出功能完整的肝和肾之前,还有很多事情要做。但我们已经迈出了第一步。”

2014年,路易斯成立了一家名为 voxel8的公司,用来商业化世界上第一台可打印嵌入式电子设备等新型器件的多材料3d打印机。这种打印机并不能打印人体器官,但能同时打印多种材料,例如导电的含银油墨和塑料。这可以使工程师抛弃传统的电路板,创造出新颖轻巧的设计,这正是 voxel8的独特之处。这种新型油墨不仅拥有良好的导电性,还能在室温下打印并保持形态,可用来连接计算机芯片和电动机这类传统零件,打印出天线等电子元件。

3d打印

公司计划对路易斯开发的种种新材料进行测试,长期目标则是建造能同时打印多种专业材料的工业生产设备。正如voxe8的联合创始人迈克尔·贝尔所说:“长期的可能性是将无数的材料以超细的解析度同时打印到一起,这比单材料打印有趣得多。”路易斯还希望未来人们在自己家中就可以打印出计算机零件或机器人玩具。2015年初, voxel的第一种产品开始正式接受预订,售价9000美元,被誉为“世界上第一台电子设备3d打印机”。

他们在ces(国际消费电子展)上用这台设备展示了打印迷你四轴无人机的过程(尽管还需要手动装上马达和叶片5),获得了ces2015年最佳创意奖,还获得了2015年“爱迪生奖”的金奖°。20155年,获得1200万美元a轮融资的 voxel被《麻省理工科技评论》评为2015年最聪明的公司之一。路易斯本人也获奖无数,除了学术上的奖项以外,还被《快公司》评为2015年最具有创造力的商界人物之一21,2016年3月还获得了美国国防部300万美元的奖励。

3d打印

路易斯的团队在微型3d打印领城走在世界前列,但他们并不满足。2016年2月,他们将3d打印延伸向第四维一一时间,研发出了微型4d打印。他们的灵感来自于大自然中的结构。例如,植物中的微结构会对环境刺激做出反应,让花和叶随时间改变形状。

通过模拟卷须、叶片和花朵等植物器官对湿度、温度等环境刺激的反应,路易斯的闭队用木头中提取的纤维和水凝胶“油墨”打印出了一种能在水中改变形状的水凝胶复合结构。这些纤维具有各向异性,可用计算机编码出遇水变形的细节。在未来,甚至可以用导电材料替换纤维,实现更多的可能性,有望在智能纺织物、柔性电子设备和组织工程学等新兴领域中大展拳脚。打印电子设备与人体器官,是路易斯聚焦的两大方向。

如果把这两个方向结合起来,能开启前所未有的想象力。“在二者的结合处,可以植人传感器。”路易斯说。例如,打印出带有传感器的活体组织,可以方便地监测细胞的健康程度以及它们如何对刺激(例如新药物)做出反应。如今,这位51岁的女科学家正管理着 voxel8公司和一个25人的哈佛实验室。她说,她最喜欢的事情就是团队带给她的惊喜一一不管是小小的成功还是新发现。“那是我人生最好的时刻,”她说,“就是这个研究团队。他们正在让一切发生。”

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最后小编想说,现在的科技技术含量越来越高,全球都在3d打印领域有自己独到的见解,都是比较接近于现实的东西,只会对我们的生活越来越有帮助,都是会更有利于我们的生活方向。

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