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3D生物打印技术美学应用：3D PUFF水光刀一、什么是3D生物打印？3D生物打印是当前科技最前沿的领域之一，是集生命科学、材料科学、制造科学交叉融合的新兴产物，在生物体外构建具有一定生物功能的组织和器官，用于病损组织和器官的修复与替代。

与工业3D打印的模型制造过程类似，3D生物打印通过电脑建模来设计需要打印的器官剖面图，然后精准地指导打印头的移动和输出，逐步定位装配生物材料或活细胞，从而制造出植入支架、组织器官和医疗辅助物等生物医学产品。

世界上第一台3D生物打印机，被《时代周刊》评为2010年50项最佳发明之一，该原型机是由Organovo公司于2009年底制造出来的。

Organovo的3D生物打印机原型二、3D生物打印技术能做些什么？3D生物打印机进行心脏打印3D生物打印技术的成果可能会给医疗界带来一场革命。

我们来巡览一下全球各个研究机构的实验成果：2016年2月15日，来自美国北卡罗莱纳州维克森林大学再生医学研究所的科学家们称，他们已经创建了一台生物3D打印机，而这些通过3D打印机打印出来的器官、组织和骨骼能够直接植入人体。

这一成果已于当日发表在科学杂志《Nature Biotechnology》上。

维克森林大学再生医学研究所3D打印的颚骨和耳软骨 目前，人体的多种类型组织器官都已经实现了原型产品的打印，包括骨骼、肝脏小单元、血管、心脏、肾脏、皮肤、仿生组织等。

3D生物打印的鼻3D生物打印的肾脏和骨骼3D生物打印的具有人体细胞功能的仿生组织3D生物打印的血管用3D打印的器官替代受损或者衰竭的人体器官，一直是科学家们追求的梦想之一。

3D 生物打印正处于快速发展的阶段，除了各类组织支架和器官的替换，还将广泛应用于手术分析策划、体外肿瘤分析、体外药物和毒物的器官水平试验等各个场景。

三、生物墨水的研究为什么如此重要？3D生物打印机的原料为生物墨水，它是由活细胞、细胞培养基质、恰当的生长因子、完善的添加组方和精心挑选的塑形材料等组成的混合物，生物墨水的组成配方、培养条件和打印控制，是3D生物打印技术中最关键的挑战。

1技术原理3D打印机又称，是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状或等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。

现阶段三维打印机被用来制造产品。

逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印机的原理是把数据和原料放进机中，机器会按照把产品一层层造出来。

3D打印机堆叠薄层的形式有多种多样。

3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料，堆叠薄层的形式有多种多样，可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。

有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。

1、有些3D打印机使用“喷墨”的方式。

即使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。

之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆叠上来。

2、还有的使用一种叫做“熔积成型”的技术，整个流程是在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。

3、还有一些系统使用一种叫做“”的技术，以粉末微粒作为打印介质。

粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，熔铸成指定形状，然后由喷出的液态粘合剂进行固化。

4、有的则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒，当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时，介质中就需要加入或其他物质以提供支撑或用来占据空间。

这部分粉末不会被熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。

2操作流程三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，使用的流程是：1、轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。

2、而在3D打印时，软件通过电脑辅助设计技术（CAD）完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到上，后者会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。

3工作步骤软件建模3D打印机工作步骤是这样的：先通过计算机建模软件建模，如果你有现成的模型也可以，比如动物模型、人物、或者微缩建筑等等。

2023年 第49卷·9·作者简介：陈珊珊（2000-），女，本科，主要从事复合材料/生物材料3D 打印技术方面研究。

收稿日期：2022-04-080　前言20世纪末，面对消费者需求日益主体化、个性化和多样化以及全球市场的激烈竞争，工业化国家开始不遗余力地开发先进的制造技术，快速成型制造技术（Rapid Prototyping & Manufacturing ，RP&M ）应运而生。

3D 打印技术作为快速成型的主要实现形式，区别于传统的车、磨、刨、铣、削等减材制造工艺，它是利用计算机建模数据对材料进行叠层累加从而生成三维产品，故称之为增材制造，具有设计空间无限、成型时间短、材料利用率高等诸多优点。

随着新科技、新材料、新创意的出现，3D 打印技术在生活中也发挥着重要作用，被广泛应用于设计、汽车、医疗、建筑、时尚等领域。

通常，应用于医疗领域的3D 打印被广泛称为生物打印。

生物打印（Bioprinting ）指将生物材料元素融入3D 打印技术，是一个新型快速成型制造研究领域，强调运用组织工程(tissue engineering)和再生医学（regenerative medicine ）[1]制造出合适的组织、器官的替代品，并以此解决人类生命健康的问题。

器官损伤治疗常常因为供体不足或不满足患者个性化定制的需求而耽误，体外制造活性组织也成了科研工作者不断追求的目标[1]。

创造丢失或功能损害的组织和器官，使其具备正常组织和器官的机构和功能一直是世界难题。

生物材料与3D 打印机技术的结合使活性组织器官的制造成为可能，目前为止，已经开发了各种3D 生物打印技术和系统，研究用于组织和器官的再生或替换的新治疗方法[2]。

3D 生物打印技术综述陈珊珊，王肸肸，甘闽，陈肖航，伍俊豪(新余学院机电工程学院，江西 新余 338004)摘要：3D 生物打印是当前快速成型发展具有前景的领域之一，是融合生物学、材料学、制造学、生命科学为一体的交叉技术。

生物质3D打印概况杨飞文（华南农业大学材料与能源学院，广东广州510642）摘要：本文主要介绍3D打印技术以及生物质材料在3D打印中的应用，主要介绍熔融沉积成型技术和聚乳酸作为基材的不同生物可降解材料3D打印现状，总结国内外生物质3D打印发展展望。

关键词：生物质聚乳酸熔融沉积成型3D打印1 3D 打印概况3D打印技术又称三维打印技术，这种技术是依据物体的三维模型数据，也称为“增材制造技术”，学术上称为：激光堆积型技术或激光快速成型技术，通过成型设备以材料累加的方式，通过3D打印机，采用分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料来生成3D真实物体，制成实物模型，甚至直接制造零件或模具[7]。

“3D打印”是通俗的叫法，3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或模具，现在可以作为原材料的东西已经多种多样，从而极大地缩短产品的研制周期、并缩减生产成本，包括树脂、塑料、陶瓷、金属等。

能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体。

3D打印热的兴起，让这个产业受到了外界前所未有的关注，并成为科技界与制造界交叉的前沿话题。

3D打印技术包熔融沉积FDM(Fused DepositionModeling)光敏树脂选择性固化SLA(Stereo LithographyApparatus)、粉末材料选择性激光烧结SLS(Selective LaserSintering等几种。

其中FDM技术的优点在于适用的材料较多、维修方便、易于操作、成型工艺简单以及不需要借助激光等外界复杂条件，且制作中产生废料较少、无污染、低成本等。

其不足是成型制品表面较为粗糙、打印精度较低，制品可能因分层原因产生误差，成型过程中需要支撑材料，打印丝材强度要求较高，成型速度相对较慢，制件性能单一等，导致FDM技术很难打印出有特殊要求的制品(如软体材料制品)，从而限制了FDM成型技术的应用。

2 聚乳酸应用于3D打印概括丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)是目前3D打印技术中使用最为广泛的材料，这是因为ABS具有强度高、韧性好、耐冲击性强等优点；但ABS是一种难降解的材料，对环境存在较大污染。

一、引言随着人体重要器官终末期衰竭率的激增，医学界迫切需要一种能够有效修复和恢复受损器官的创新治疗方法。

此外，器官移植领域面临的挑战在于最佳捐赠者器官短缺和匹配的困难。

近年来组织工程在再生受损组织方面取得了显著成就并引起了临床移植医生和研究人员的广泛关注。

组织工程被认为是一种可能的手段，用于解决临床对活体器官日益增长的需求以及解决活体器官移植的局限性。

细胞、支架和生物/ 生化因子一般被称为基于组织工程的再生医学策略的“构建模块”的基本要素。

理想的组织工程生物活性支架将为细胞、生物活性因子和周围组织之间的相互作用提供平台。

此外，支架为细胞提供物理支撑并控制因子的释放。

1986年首次提出三维（3D）打印技术。

3D打印是一种由计算机辅助设计模型来构建物体的制造过程。

与传统制造（如铸造和锻造工艺）相比，3D打印是指通过逐层增加材料的方式将数字模型制造成3D实体物件或支架的过程，属于增材制造技术的一种。

生物打印技术可通过设计有利于细胞生长的支架微观结构以及调节生物活性因子的分布满足组织再生需求，使其变得越来越有吸引力。

打印材料、细胞和打印设备/方法是3D生物打印技术中最重要的三个因素。

根据美国材料与试验协会标准（F2792），3D打印技术分为光聚合成型、材料喷射成型、材料挤出成型、粉末床融化、黏结剂喷射、层压和直接能量沉积等8种打印技术。

在细胞活力和可打印性方面，基于光聚合的打印方法相较于其他类型的生物打印方法具有许多优势，如室温下能够快速固化、高保真打印以及温和的反应过程。

通过调节光强、曝光时间和照射面积，该打印方法可以方便地控制打印结构和速度。

在各种生物打印方法中，有4种方法被广泛应用于光固化生物打印：喷墨打印、挤出式打印、立体光刻印刷和数字光固化。

生物墨水是生物打印中的打印前体，通常是基于包含细胞的热敏或光聚合材料。

它作为细胞载体，能够确保打印成型中的精确定位、避免打印过程中细胞机械损伤和保护打印后材料形成的有利于细胞生长的微环境。

3D打印技术主要有哪些其实并不神秘，也不是一项崭新的技术，其实3D打印早已在工业应用的领域默默奉献了近三十年。

总的来说，物体成型的方式主要有以下四类：减材成型、受压成型、增材成型、生长成型。

减材成型：主要是运用分离技术把多余部分的材料有序地从基体上剔除出去，如传统的车、铣、磨、钻、刨、电火花和激光切割都属于减材成型。

受压成型：主要利用材料的可塑性在特定的外力下成型，传统的锻压、铸造、粉末冶金等技术都属于受压成型。

受压成型多用于毛坯阶段的模型制作，但也有直接用于工件成型的例子，如精密铸造、精密锻造等净成型均属于受压成型。

增材成型：又称堆积成型，主要利用机械、物理、化学等方法通过有序地添加材料而堆积成型的方法。

生长成型：指利用材料的活性进行成型的方法，自然界中的生物个体发育属于生长成型。

随着活性材料、仿生学、生物化学和生命科学的发展，生长成型技术将得到长足的发展。

从狭义上来说主要是指增材成型技术，从成型工艺上看3D打印技术突破了传统成型方法通过快速自动成型系统与计算机数据模型结合，无需任何附加的传统模具制造和机械加工就能够制造出各种形状复杂的原型，这使得产品的设计生产周几大大缩短，生产成本大幅下降。

为了能让大家对3D打印技术有一个更加深刻的理解，下面小编将会为大家介绍几项主流的3D 打印技术原理。

LOM：分层实体成型工艺分层实体成型工艺（Laminated Object Manufacturing，LOM），这是历史最为悠久的3D打印成型技术，也是最为成熟的3D打印技术之一。

LOM技术自1991年问世以来得到迅速的发展。

由于分层实体成型多使用纸材、PVC薄膜等材料，价格低廉且成型精度高，因此受到了较为广泛的关注，在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造等方面应用广泛。

下面我们一起了解一下LOM技术的原理，如图所示为LOM技术的基本原理：LOM分层实体成型工艺（插图由筑梦创造绘制）分层实体成型系统主要包括计算机、数控系统、原材料存储与运送部件、热粘压部件、激光切系统、可升降工作台等部分组成。

3d生物打印的关键技术和目前的瓶颈问题【摘要】3D生物打印机（3D bio-printer；3D biology printer ）是指国外媒体2010年6月6日报道的、由美国Organov公司研制的、“按需打印”患者所需的人体活器官的机器。

器官移植可以拯救很多人体器官功能衰竭或损坏的患者生命，但这项技术也存在器官来源不足、排异反应难以避免等弊端。

不过，随着未来“生物打印机”的问世，这些问题将迎刃而解。

这种机器首先“打印”器官或动脉的3D模型，接着将一层细胞置于另一层细胞之上。

打印完一圈“生物墨”细胞以后，接着打印一张“生物纸”凝胶。

不断重复这一过程，直至打印完成新器官。

随后，自然生成的细胞开始重新组织、熔合，形成新的血管。

每个血管大约需要一小时形成，而熔合在一起需要数天时间。

Organovo公司首席执行官基思·墨菲在接受《工程师》杂志采访时指出，最终有一天，只需轻轻按下按钮，就能让3D生物打印机制造出我们所需要的器官。

【关键词】3D生物打印关键技术瓶颈问题打印技术生物图像数据图纸转化1.3D生物打印工作原理3D 生物打印机如何工作呢？它需要生物墨水，而最有可能成为墨水的便是人体细胞。

首先，研究者将从人们的骨髓或脂肪中提取出干细胞，通过生物化学手段，使它们分化成不同类型的其他细胞。

随后，这些细胞将被封存成“墨粉”，每一滴“墨粉”里可能包含1 万到3 万个细胞。

当3D 生物打印机开动时，“墨粉”将通过打印头聚拢在事先设计的部位上，打印器官的雏形便逐渐显现。

在开动3D 生物打印机前，还必须完成器官的结构设计，这犹如一幢大楼的设计图纸。

为了打印出与目标器官形状、大小及内部结构相近的3D 器官，必须事先通过三维成像或超声的方法，对人体器官进行精确的测量。

当3D 生物打印机工作时，每一滴“墨粉”出现在适当的部位后，必须通过特定的生物胶水固定。

就像办公用的彩色打印机一样，13D 生物打印机的“墨盒”里也会丰富多彩。

工作条件要求工作空间：牢固的工作台，≥98x62x77 cm；环境温度：18 – 30℃；环境湿度：10 – 90%，无凝结；设备用电：100-240V 交流电；功率，3860 VA；频率，F 50/60 Hz；气压要求：最小6 bar（87 psi）, 流速30L/min。

操作流程1. 打开3D-BIOPLOTTER™左侧的开关按钮，然后打开控制软件VisualMachines ;2. 打开冷却机（如果需要）；3. 点击VisualMachines左上角的On/Off按钮（会有延迟，不要连点），等待设备自动校准；4. 选择Programming>Material Editor，点击New，创建新的材料程序；在新建材料程序中，添加材料描述、针头类型，设置打印温度（如果已知），然后保存；5. 将材料装入打印针筒中，并装上合适的打印针头，然后将整体放入打印头中；6. 选择Maintenance>Tool Changer，将新建材料程序定义到对应的打印头上；7. 选择Maintenance>Robot Head，将打印头移至打印台，然后用1bar持续挤出10s，或者直到有材料挤出；8. 如果没有材料挤出，调节温度设定值、压力大小，或者更换其他尺寸的打印针头；9. 在Programming>Material Editor中，分别对Basic Parameters 和Calibration两个模块定义最终合适的压力值；10. 在Maintenance>Robot Head中，选择Safe@Purge Station，手动清理打印针头；11. 选择合适的时间间隔，点击Purge(Time Controlled)，测量在该时间间隔中挤出材料线条的长度，并大致计算打印的速度参数，并在Programming>Material Editor中设置该速度值；12. 点击Calibration对打印针头进行定位;如有必要，在Programming>Material Editor中的Calibration模块里改变挤出时间（Dispense Time）和Z轴偏移量(Z-offset)；13. 在Execution Control>Project Editor中选择需要打印的打印程序（第一次测试，最好选择15X15X15mm的立方体模型）；将该材料程序定义（Assign）到该打印程序中，将内部结构（第一次测试，最好选择简单的内部结构：90°层间角度，线条间的距离是打印针头的3倍）定义到该打印程序中；14. 在Execution Control 中点击Star，开始打印；15. 打印3层后自动暂停（Stop Cycle）或者直接停止（Abort）打印（如果打印效果不好）；16. 根据打印情况，在Programming>Material Editor中调整打印速度和打印压力，重复步骤16的操作，直到整个模型打印效果达到最佳；软件控制启动打印程序时，一般需要先输入STL格式的数据模型，然后通过软件控制打印机进行打印，具体分为两部分：1. Perfactory RP（切片软件）：导入STL格式的数据模型，然后对模型进行预处理，最后对模型进行分层切片处理；2. VisualMachines（执行软件）：将出切好片的模型导入到VisualMachines，通过控制打印机调整打印参数和内部结构，完成打印任务。