張冠石，翟為

本刊海外編輯部，北京 100022

0 前言

三維打?。═hree-Dimensional Printing，3D打?。?，也稱添加制造（Additive Manufacturing，AM），是新興的一種快速成型技術(shù)，它采用分層加工、迭加成形等形式，即通過逐層增加材料（包括液體、粉材、線材或塊材等）來生成3D實體，被認為是制造領(lǐng)域的一次重大突破，也被眾多國內(nèi)外媒體和行內(nèi)人士譽為“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”[1]。20世紀90年代3D打印由美國麻省理工學(xué)院（MIT）首次發(fā)明，過去常在模具制造、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域被用于制造模型，現(xiàn)不僅適用于傳統(tǒng)制造領(lǐng)域，而且還被成功地運用到了醫(yī)學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程中。隨著技術(shù)的高速發(fā)展和研究的不斷深入，3D打印在珠寶、鞋類、建筑、工程和施工、汽車、航空航天、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域均有所應(yīng)用[2-4]。本文擬對3D打印技術(shù)的原理、發(fā)展現(xiàn)狀，及其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用等進行概述，并對其前景進行前瞻性展望，探究其中的熱點問題。

1 3D打印的原理

3D打印以3D建模為前提，綜合了數(shù)字建模、機電控制、信息技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的技術(shù)，通過CAD等矢量建模軟件將建立的3D模型進行分割，即將模型分割成一層一層的薄片，薄片的厚度一般為幾十微米到幾百微米不等[5]。軟件完成分割工序后，3D打印機即可進行噴墨打印，在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被粘結(jié)起來，“打印”完成后，需要對打印的模型進行固化處理、剝離、打磨、鉆孔、電鍍等模型修整的后處理程序，最終得到表面光滑的“高分辨率”的模型。

3D打印中的材料不僅限于砂型材料，還有彈性伸縮、高性能復(fù)合、熔模鑄造等其他材料[6-7]可供選擇，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段的3D打印的材料逐漸擴展到金屬、塑料、陶瓷、細胞組織和高分子聚合物等方面[8]。近期，3D Systems公司發(fā)布了一種名為Accura CastPro的新材料，該種材料可用于制作熔模鑄造模型；同期，Solidscape公司也發(fā)布了一種可使蠟?zāi)ｈT造鑄模更耐用的新型材料—plusCAST；Objet公司也發(fā)布了一種類ABS的數(shù)字材料以及一種名為VeroClear的清晰透明材料。目前已能夠在0.01 mm的單層厚度上實現(xiàn)600 dpid精細分辨率，即使模型表面有文字或圖片也能夠清晰打印[9]。然而受打印原理的限制，打印速度也相應(yīng)有所降低，目前較先進的產(chǎn)品可實現(xiàn)25 mm/h高度的垂直速率，約為早期產(chǎn)品的10倍，而且可以利用有色膠水實現(xiàn)彩色打印，色彩深度高達24位[10]。

2 3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展歷程

早期的3D打印例子發(fā)生在20世紀80年代。1984年Charles Hull研發(fā)了使用激光加熱和合并樹脂層創(chuàng)造一個三維物體的新方法[11]。時隔兩年，他取得專利并開發(fā)了3D系統(tǒng)，同時開發(fā)出“立體光刻設(shè)備”，被認為是有史以來第一臺3D打印機，3D打印技術(shù)也由此被稱為“立體光刻”技術(shù)。1987年，DTM公司（現(xiàn)BF Goodrich公司的附屬公司）開發(fā)了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)[12]，并在1990年代逐步實現(xiàn)商業(yè)化。

1995年麻省理工學(xué)院創(chuàng)造了“三維打印”術(shù)語，當時的畢業(yè)生Jim Bredt和Tim Anderson修改了噴墨打印機方案，把墨水擠壓在紙張上的方案變?yōu)榘鸭s束溶劑擠壓到粉末床的方案，并申請了專利，帶動了現(xiàn)代3D打印企業(yè)Z公司（Bredt和Anderson創(chuàng)立）和ExOne公司的高速發(fā)展[13]。1996年開始有更多的3D打印機投放進市場，但只用于工業(yè)。2008年RepRap3D打印機的銷售實現(xiàn)了自我復(fù)制功能和免費軟件許可證下載的功能。

2.2 發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過30多年的發(fā)展，3D打印技術(shù)有了迅猛且顯著的發(fā)展，從全球范圍來看，美國和歐洲紛紛制定發(fā)展戰(zhàn)略，投入資金，加大研發(fā)力量并推進3D打印產(chǎn)業(yè)化[14]。作為全球3D打印技術(shù)和應(yīng)用的領(lǐng)導(dǎo)者，美國總統(tǒng)奧巴馬在2012年3月9日提出發(fā)展美國振興制造業(yè)計劃，撥款3000萬美元，在俄亥俄州建立國家3D打印制造業(yè)創(chuàng)新研究所（NAMII），旨在復(fù)興美國制造業(yè)，并計劃第一步投入5億美元用于3D打印，以確保美國制造業(yè)不會繼續(xù)轉(zhuǎn)移到中國和印度，確保未來的制造業(yè)就業(yè)崗位重新返回美國。除歐美外，其他國家也在不斷加強3D打印技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用。2000年底以色列的Object Geometries公司推出了基于3D Ink-Jet與光固化工藝的3D打印機Quadra[15]；德國Nanoscribe GmbH公司也于今年發(fā)布了一款迄今為止最高速的納米級別微型3D打印機-Photonic Professional GT，能制作納米級別的微型結(jié)構(gòu)，以最高的分辨率，打印出小于人發(fā)絲直徑的三維物體；澳大利亞近期制定了金屬3D打印技術(shù)路線；南非正在扶持基于激光的大型3D打印機器的開發(fā)；日本著力推動3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用[16]。

3 技術(shù)應(yīng)用

據(jù)《Wohlers Report 2011》顯示，3D打印技術(shù)正逐步成為最有生命力的先進制造技術(shù)之一，全球3D打印技術(shù)產(chǎn)值在1988～2010年間保持著26.2%的年均增速，2011年3D打印產(chǎn)業(yè)的市場產(chǎn)值為17億美元，預(yù)計到2016年產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達到31億美元。如今3D打印技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)涉及到很多領(lǐng)域。

3.1 醫(yī)療領(lǐng)域

3.1.1 醫(yī)療領(lǐng)域的新技術(shù)

在醫(yī)學(xué)上，采用3D打印不僅可以解決普通手術(shù)和外科整形手術(shù)中[17-20]部位模型參照的問題，而且還可以用實驗室培養(yǎng)出來的細胞介質(zhì)打印出一個真正的人體組織或人體器官，或用糖物質(zhì)混合物打印出一個完整的血管組織，這些組織或器官不僅具有良好的彈性和人體相容性（極大地減少排斥的可能性），還能夠用于替換壞死的血管，與人造器官結(jié)合。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，科學(xué)工作者們紛紛對打印技術(shù)進行了改良，如徐濤等將人類羊膜液衍生干細胞（hAFSCs）、犬平滑肌細胞（dSMCs）、牛主動脈內(nèi)皮細胞（bECs）分別與混合離子交聯(lián)劑氯化鈣（CaCl2）混合后，加載到獨立的墨盒并用修改后的熱噴墨打印機打印[21]。這三種類型的細胞被逐層傳遞到位于打印機下的膠原海藻酸鈉復(fù)合材料的預(yù)定位置。研究結(jié)果表明多細胞類型的三維異構(gòu)構(gòu)造通過交聯(lián)劑在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中可保持其活力和正常的增殖率、表型表達和生理功能，且體內(nèi)有足夠的血管化生物打印的結(jié)構(gòu)都可以存活并成為功能性組織，由此開發(fā)出了一種用于制造多種類型細胞的復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)的通用方法。

組織工程技術(shù)有望解決器官移植的危機。然而，組裝血管化的3D軟組織仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。Vladimir Mironov等定義的器官打印為3D活人體器官組織工程提供了一種解決方案[22]。器官打印包括三個連續(xù)步驟：預(yù)處理或器官“藍圖”的形成；處理或?qū)嶋H器官打??；后處理或器官的調(diào)節(jié)，加速器官成熟。由此研制了打印凝膠劑、單細胞和細胞團塊的細胞打印機，通過層層依次放置固化的薄膜層的熱可逆凝膠“打印紙”，結(jié)合發(fā)育生物學(xué)與工程法創(chuàng)建了一種新的快速成型三維器官打印技術(shù)，大大加快和優(yōu)化了組織和器官的組裝。

Makoto Nakamura等使用一個靜電驅(qū)動噴墨系統(tǒng),將制備好的牛血管內(nèi)皮細胞懸浮在培養(yǎng)基內(nèi)，使細胞懸液作為“墨水”噴到“磁盤”上，通過顯微觀察，發(fā)現(xiàn)每個噴射點的細胞的數(shù)量取決于細胞懸浮液的濃度和選擇的噴射頻率，由此闡述了一種生物相容性噴墨頭的使用方法與微噴處理活細胞的可行性調(diào)查[23]，這種活細胞的微觀技術(shù)對組織工程學(xué)發(fā)展起到了促進作用。

激光打印基于激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移，是一種生物材料或活細胞在定義良好的模式下產(chǎn)生的新型生物制造技術(shù)。在目前的研究中，皮膚細胞線（成纖維細胞/角質(zhì)細胞）和人骨髓間充質(zhì)干細胞（hMSC）以其在人類皮膚再生和干細胞治療領(lǐng)域有巨大的發(fā)展?jié)摿Χ挥糜诩す獯蛴嶒?。為評價激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移在細胞生存率、增值和凋亡活性的影響，Lothar Koch等對其進行了修改評估和統(tǒng)計，實驗證明：細胞在轉(zhuǎn)移過程中皮膚細胞存活率為（98%±1%），人骨髓間充質(zhì)干細胞（hMSC）存活率為（90%±10%）。所有類型的細胞在激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移后仍保持其增殖能力，且皮膚細胞和人骨髓間充質(zhì)干細胞沒有表現(xiàn)出細胞凋亡的增長或DNA的破碎。此外，通過熒光激活細胞分選（FACS）分析證明人骨髓間充質(zhì)干細胞（hMSC）可保持其細胞表型。此項研究還表明激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移是一個利用計算機把不同細胞拼接完好并定位得當?shù)募夹g(shù)，在未來體外生成的組織替代品中具有廣闊的應(yīng)用前景[24]。

3.1.2 3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域臨床應(yīng)用實例

據(jù)英國《每日郵報》2012年2月6日報道，世界上首例由3D打印技術(shù)制作的人工下頜骨移植手術(shù)于當年6月在荷蘭進行，接受移植的病人是名患有骨髓炎的83歲女性。術(shù)后她的恢復(fù)狀況良好，新的下頜骨并未影響她的語言表達和進食能力[25]。

Paulo Bartolo等研究人員首次用3D打印機打印出胚胎干細胞，打印24 h后，95%以上細胞仍然存活，打印過程未殺死細胞，3天后，仍有超過89%細胞存活[26]；AS Levey等闡述了利用3D打印機“打印”活體腎臟技術(shù)[27]；康奈爾大學(xué)的研究人員利用快速旋轉(zhuǎn)的3D相機拍攝數(shù)名兒童現(xiàn)有耳朵的三維信息，將其數(shù)據(jù)輸入計算機，再將模子中注入特殊的膠原蛋白凝膠，3個月后，模子內(nèi)出現(xiàn)一個具有柔韌性的人造外耳，其功能和外表均與正常人耳相似[28]；Kozakiewicz M等回顧性分析13例（13只眼）行三維眶底重建鈦網(wǎng)植入手術(shù)的復(fù)合性眼眶骨折患者的臨床資料，證明三維眶底重建鈦網(wǎng)具有良好的生物相容性，采用三維眶底重建鈦網(wǎng)治療復(fù)合性眼眶骨折，可有效恢復(fù)眼眶容積，矯正眼球內(nèi)陷和下移，改善眼球運動[29-31]；土耳其科學(xué)技術(shù)研究理事會的拉茲奧盧博士表示通過“快速原型設(shè)計和電腦輔助高速生產(chǎn)”項目，從患者身上取出一塊皮膚樣本，能夠復(fù)制出人類皮膚的組織骨架，及時治療創(chuàng)傷部位，且預(yù)計兩年內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)臨床運用[32]。

3.2 其他領(lǐng)域

英國研究人員2013年4月4日在《科學(xué)》雜志上發(fā)表報告稱，他們利用特制3D打印機打印出了類似生物組織的材料，其質(zhì)地與大腦和脂肪組織相似，可做出類似肌肉樣活動的折疊動作，且具備像神經(jīng)元那樣的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可用于修復(fù)或增強衰竭的器官，可避免一些用干細胞等方式制造活體組織而引發(fā)的問題；英國布里斯托“歐洲宇航英國分部”采用3D打印技術(shù)[33]，一次即打印出了車輪、鏈條、軸承等原來需要由多個零件組裝而成的部件，制造出了世界上第一輛3D打印自行車—“空氣單車”，開創(chuàng)了工業(yè)產(chǎn)品個性化定制的全新時代，讓工業(yè)產(chǎn)品的制造變得如同游戲一般簡單；除此之外，采用“逐層打印，層層疊加”的3D打印技術(shù)，還可以制造出具有特殊外型或復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的藥品，從而控制藥劑的釋放過程[34]，讓人體內(nèi)的藥物吸收過程更為合理。

如今3D打印技術(shù)日臻完善，不僅可以打印大、小件物品，還已沖擊到傳統(tǒng)的建筑[35]、考古、航空航天和環(huán)境保護等[36]行業(yè)。如2011年3月，materialse公司打印出一個微細的工廠模型，植物燃氣公司Linde AG的微縮工廠模型被完全逼真的打印制作出來；考古研究上可以通過立體掃描、粉末疊加來復(fù)原文物、修復(fù)殘片；航空航天方面，3D打印只需要更少的材料和步驟就能完全簡化生產(chǎn)，將產(chǎn)品推向市場，降低生產(chǎn)成本；在環(huán)境保護上，3D打印可通過縮減或消除復(fù)雜的批量生產(chǎn)零部件的供應(yīng)鏈，最終產(chǎn)品的碳排放量將會被進一步降低，也可以減少生產(chǎn)過程中有毒化學(xué)物質(zhì)的使用；時尚產(chǎn)業(yè)方面，3D打印能滿足越來越個性化、定制化的時尚產(chǎn)業(yè)，使得設(shè)計師能更容易滿足消費者的需求。更令人意想不到的是，一位受美國太空總署（NASA）資助的美國工程師，正在嘗試設(shè)計3D食物打印機，如果機器設(shè)計成功，不僅能為長途太空提供食物，在未來地球人類過多引發(fā)資源不足時，也能直接印出食物喂飽大眾。

4 發(fā)展趨勢

3D打印雖然日新月異，但是仍處于成長過程，由于其生產(chǎn)成本過高，可使用的材料的范圍窄、品種少、精度和速度還有待提高等因素限制[37]，目前主要用于個性化的單件生產(chǎn)。根據(jù)目前的資料分析，目前中國3D打印技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，總體處于新興技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化初級階段，需與傳統(tǒng)的制造技術(shù)形成互補，共同推進制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。未來3D打印必定是顛覆性技術(shù)，美國哈佛商學(xué)院教授Clayton M.Christensen提出的顛覆式創(chuàng)新理論（Clayton Christensen's Disruptive Innovation Theory）表明，3D打印已抓住市場的特殊需求，進入邊緣應(yīng)用領(lǐng)域，終將給工業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟組織模式帶來顛覆式的改變。

3D打印技術(shù)的應(yīng)用迄今被局限于Niche Market（利基市場，即高度專門化的需求市場）和細分市場，如醫(yī)療或模具。但根據(jù)Clayton M.Christensen的理論，顛覆性技術(shù)會持續(xù)發(fā)展，終將以“農(nóng)村包圍城市”的低成本滿足較高端市場的需要[38]。盡管3D打印主要適用于小批量生產(chǎn)，但是其打印的產(chǎn)品以更輕便、更堅固、定制化、直接組裝成型等優(yōu)點，遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)品，即3D打印相對于傳統(tǒng)制造方式的另一個顛覆性特征是：單臺機器能創(chuàng)建各種完全不同的產(chǎn)品。不難想象，未來的工廠可以用同一個車間的3D打印機既制造茶杯，又制造汽車零部件和量身定制的醫(yī)療產(chǎn)品。

5 結(jié)語

總結(jié)起來，3D打印之所以受到人們的重視，是因為其很大程度上體現(xiàn)和順應(yīng)了新工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化制造的理念，可能引發(fā)未來社會和經(jīng)濟、生產(chǎn)、教育等變革。3D打印是一個前景可觀的新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)3D打印雖在某些方面已經(jīng)走在了前沿，但與歐美等發(fā)達國家相比仍有較大差距，比如沒有形成產(chǎn)業(yè)鏈、工業(yè)環(huán)境不配套等。此外，在一些核心技術(shù)和關(guān)鍵器件上，如3D打印機中的激光器，仍然對國外依賴較大。為此，我國3D打印技術(shù)需要制定技術(shù)發(fā)展路線圖，規(guī)劃基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用的發(fā)展路線，實現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化。

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