近些年，經(jīng)常會看到關(guān)于3D打印的新聞報道：醫(yī)院用3D打印定制出適合病人尺寸的器官模型，某創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)制造出薄如紙片的LED燈……美國通用電氣公司曾指出，50年內(nèi)3D打印技術(shù)將能夠成功打印出一臺航空發(fā)動機(jī)。3D打印技術(shù)已被認(rèn)為是第三次工業(yè)革命的核心技術(shù)之一。
3D打印屬于快速原型制造技術(shù)的一種，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用工程塑料或金屬粉末等可黏合特性，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的快速成形技術(shù)。該技術(shù)能夠簡化產(chǎn)品制造程序，縮短產(chǎn)品研制周期，提高效率并降低成本，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、文化、國防、航天、汽車及金屬制造等產(chǎn)業(yè)，被認(rèn)為是近20年來制造領(lǐng)域的一個重大技術(shù)成果。
根據(jù)打印技術(shù)原理以及所適用材料的不同，3D打印技術(shù)可分為激光熔覆成型技術(shù)(LCF)、熔融沉積快速成型技術(shù)(FDM)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)、立體光固化技術(shù)(SLA)、三維印刷成型(3DP)等。但這些傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)能夠打印的線材尺度目前只能到毫米級，所打印的成果產(chǎn)品表面有的還較粗糙，達(dá)不到最理想的效果，另外有的生物產(chǎn)品經(jīng)過3D打印的高溫?zé)Y(jié)或熔融沉積會導(dǎo)致生物活性降低，限制了其應(yīng)用，因此研究者開始把眼光投到更深層次的應(yīng)用和技術(shù)上。于是我們熟悉的靜電紡絲技術(shù)開始進(jìn)入人們的想象。
在靜電紡絲行業(yè)，3D打印也越來越受到人們重視，研究者開始思考如何將同樣受到重視的靜電紡絲與3D打印結(jié)合集成為一體，從而改變3D打印在尺寸上的缺陷，同樣也使靜電紡絲從單純的膜、線、帶這種二維結(jié)構(gòu)擴(kuò)大到三維結(jié)構(gòu)，由此3D打印結(jié)合靜電紡絲慢慢開始從研究者的想象中走出來，進(jìn)入現(xiàn)實(shí)，一些技術(shù)開始得到應(yīng)用。
3D生物打印技術(shù)是當(dāng)前3D打印技術(shù)中最前沿、最受關(guān)注的領(lǐng)域之一。由于3D打印具有個性化特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)，具體包括細(xì)胞打印、組織工程支架和植入物、牙科等。雖然生物3D打印技術(shù)在制造生物可降解的三維結(jié)構(gòu)方面，有著其他傳統(tǒng)工藝不可比擬的優(yōu)勢，但是目前幾種較成熟的3D打印工藝，如SLS、SLA和3DP中往往借助了高溫?zé)Y(jié)、噴灑黏結(jié)劑等輔助成形手段，會導(dǎo)致材料生物活性遭到破壞，這在很大程度上限制了這些方法在組織工程、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。為此，基于3D打印原理的生物增量擠出成形技術(shù)和電紡絲技術(shù)先后被提出，并受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。
3D打印軟骨
澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)Dietmar W. Hutmacher教授團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》上發(fā)表了《Reinforcement of hydrogels using three-dimensionally printed microfibres》一文，詳細(xì)介紹了如何利用生物相容性材料更為有效地修復(fù)人體組織，尤其是關(guān)節(jié)軟骨。由于軟骨既要有一定的機(jī)械強(qiáng)度又需要具備柔韌性，因此研究人員測試一種新的水凝膠和超細(xì)纖維支架合成材料來到達(dá)此要求。研究人員使用了一種新的3D打印技術(shù)——熔體靜電紡絲寫入(melt electrospinning writing)技術(shù)，這是一種使帶電荷的聚合物熔體在靜電場中形成射流來制備聚合物超細(xì)纖維的加工方法，該方法有助于提供用于細(xì)胞生長的空間，同時對細(xì)胞所需的機(jī)械剛性也有一定的幫助。最終打印出的結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自然愈合，而且能促進(jìn)新組織的生長。這項(xiàng)基于靜電紡絲原理的3D打印技術(shù)，為生物醫(yī)學(xué)研究人員打開了大門。
3D打印可吸收血管支架
《physical chemistry chemical physics》(Phys.Chem.Chem.Phys.,2015, 17, 2996)發(fā)表了韓國機(jī)械和材料研究院Su A. Park教授《Characterization and preparation of bio-tubular scaffolds for fabricating artificial vascular grafts by combining electrospinning and a 3D printing system》一文，文獻(xiàn)中提到用天然高分子納米纖維組成的人造血管移植到人體中以促進(jìn)受損血管的恢復(fù)。然而，靜電紡絲納米纖維的生物相容性材料，如殼聚糖，都缺乏良好的機(jī)械性能。因此研究者的設(shè)計(jì)和制造分為兩步，第一步采用靜電紡絲技術(shù)制備殼聚糖和PCL共混納米纖維支架，然后使用3D快速成型技術(shù)涂布PCL鏈，最終制備出人造血管。應(yīng)用此方法制造的人造血管具備優(yōu)良的機(jī)械性能，并且該方法可用于血管重建。
上海大學(xué)快速制造工程中心在生物3D打印方面也有突破性進(jìn)展。上海大學(xué)劉媛媛在2015年6月《Journal of Southeast University》中發(fā)表題為《Composite bioabsorbable vascular stents via 3D bio-printing and electrospinning for treating stenotic vessels》一文，文中設(shè)計(jì)了一種新型血管支架用于血管狹窄治療。針對目前制備生物可吸收血管支架在裝備和技術(shù)上的不足，提出了結(jié)合生物3D打印和靜電紡絲制備復(fù)合生物可吸收血管支架的新方法。首先，用PPDO材料通過3D打印制備支架內(nèi)層；然后配制殼聚糖和PVA混合溶液，通過靜電紡絲制備支架外層，力學(xué)性能測試顯示結(jié)合3D打印和靜電紡絲制備的支架要好于僅采用普通支架。在支架上種植細(xì)胞試驗(yàn)表明，細(xì)胞在支架上有良好的粘附和增殖，所提出的復(fù)合成形工藝和方法，為后續(xù)構(gòu)建可控載藥支架提供了很好的思路。
3D打印服裝
目前用3D打印技術(shù)打印的衣服一般質(zhì)感較硬，無法做貼身的衣物。傳統(tǒng)的靜電紡絲，一般使用高壓電源，泰勒錐與接收平臺之間的距離較大，紡絲之后成為一團(tuán)，難以控制其有序堆疊。來自美國舊金山的團(tuán)隊(duì)將成型平臺制作成衣架形狀，推出了全球第一個3D電動織布機(jī)Electroloom，可實(shí)現(xiàn)自動生產(chǎn)聚酯纖維混棉衣物。這臺3D打印機(jī)的原理類似于靜電紡絲，使用CAD軟件設(shè)計(jì)模板，將設(shè)計(jì)好的模板放入打印倉后，混合的織物液態(tài)溶液在電磁場的引導(dǎo)下，按照模板“澆鑄”成型，這一過程稱為“靜電紡絲”。然后，打印機(jī)將混合在一起的納米纖維均勻地涂織成型，凝結(jié)成一種無縫的面料。
3D打印建筑物
韓國國立首爾大學(xué)Kim教授在《Langmuir》上發(fā)表題為《Toward Nanoscale Three-Dimensional Printing: Nanowalls Built of Electrospun Nanofibers》的文章，他們展示了可以用3D打印構(gòu)建的獨(dú)立納米墻壁和其他納米級3D物體，介紹了一種以精確、重復(fù)的方式靜電沉積聚合物納米纖維從而生成指定物體的新方法。
靜電紡絲是一種制造聚合物納米管相對簡單的方法。納米級纖維流非常混亂，要想控制單根纖維十分困難。在他們最近的研究工作中，發(fā)現(xiàn)使用一種薄金屬電極線可以使得納米級纖維流相對有序。使用這條線，上述聚合物納米管可以被堆疊形成壁形結(jié)構(gòu)。研究表明，可以利用纖維和金屬線之間的靜電相互作用平衡聚合物纖維內(nèi)部的張緊程度，并且通過控制底座的平移可以控制一個納米壁的長度。該研究小組稱這種新穎的3D打印技術(shù)可用于生物支架、納米過濾器、納米電極等的開發(fā)應(yīng)用。
電紡已經(jīng)在組織工程支架和儲能等領(lǐng)域發(fā)揮了其巨大的作用，但在構(gòu)建各種形狀方面，還是需要快速成型技術(shù)，所以3D打印技術(shù)的加入無疑會豐富電紡的應(yīng)用空間，而反過來，如今的3D打印技術(shù)在尺寸細(xì)化問題上還不能得到很大突破，僅止于毫米尺度，電紡技術(shù)解決了線材的尺寸問題。
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