图3.9 3D打印机
3D打印（3D Printing）技术作为快速成型领域的一种新兴技术，目前正成为一种迅猛发展的潮流。它是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造（AM，Additive Manufacturing）。作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。3D打印机是3D打印的核心装备（见图3.9），它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。目前，3D打印技术主要被应用于产品原型（见图3.10）、模具制造以及艺术创作、珠宝制作等领域，替代这些领域传统依赖的精细加工工艺。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术的引入也为创新开拓了广阔的空间。
图3.10 汽车原型
在生物医学领域，目前3D打印技术在国际上已开始应用于器官模型的制造与手术分析策划、个性化组织工程支架材料和假体植入物的制造以及细胞或组织打印等方面。例如，在骨科、口腔颌面外科等外科疾病中通常需要植入假体代替损坏、切除的组织，以恢复相应的功能以及外观。目前临床所使用的替代材料都是按照固定模式制造，难以与患者的缺损部位完美匹配，无法获得十分满意的效果。而利用3D打印技术则可以根据不同患者的CT、磁共振成像（MRI）等成像数据，快速制造个性化的组织工程支架材料，甚至可以携带细胞对组织缺损部位进行原位细胞打印。该技术不仅能实现材料与患者病变部位的完美匹配，而且能在微观结构上调控材料的结构以及细胞的排列，更有利于促进细胞的生长与分化，获得理想的组织修复效果。因此，3D打印技术就显得至关重要，也引起了各界的高度关注。本案例运用形态分析法对适用于医学领域的3D生物打印机的设计原理进行分析。首先，明确所研究的问题，即在原有的平面打印机和现有的3D打印机的基础上，开发一种能够适用于医疗领域的3D生物打印机。
其次，进行因素分析，即对3D生物打印机进行因素分析，确定完成打印生物器官或者生物体某一部分所必备的基本因素。在此，我们选定“计算机辅助软件”“打印耗材”“打印工艺”三个因素。
再次，进行形态分析。首先要通过计算机建模，绘制想要打印部分的原型。可以选择的软件有多种，此处选择“3ds Max”“Pro－E”“UG”“AutoCAD”“cinema 4D”五种作为“计算机辅助软件”的形态。为了实现3D打印机的功能，所选材料很重要，既要有较低的熔点，也要有较好的黏滞性，同时也需要快速成型。目前，可选择的有“聚乳酸（PLA）”“ABS材料”“钛合金”“热塑性塑料”“石膏”“液态树脂”“纸”“脂肪族聚酯”；打印工艺有“选择性激光烧结”“直接携带细胞打印的生物打印技术”“熔融沉积成型”“立体平版印刷”“数字光处理”“熔丝制造”“粉末层喷头三维打印”“选择性热烧结”“电子束熔化成型”“融化压膜”共10种。
以“计算机辅助软件”“打印耗材”“打印工艺”三个因素与各因素可能形态分别为“列”与“行”建立所研究问题的形态分析表。3D生物打印机的形态分析表如表3.5所示。
表3.5 3D生物打印机的形态分析表
最后，进行方案优选。利用形态分析表，可以进行各功能之间的形态要素的排列组合，从理论上说，一共有5×8×10＝400种设计方案。在分析这400中设计方案之前，可以先排除不符合技术或者现实条件的方案。比如a1－b7－c10，3ds Max软件通常用于建筑领域，打印材料“纸”与打印工艺“融化压膜”也不能适用。方案a3－b5－c7适用于一些模具或者工具的打印，其他方案不再一一列举。
通过排除，可以得到比较适合的方案是a4－b8－c3，就是目前在医疗领域所需要研发的3D生物打印机。其中，脂肪族聚酯具有良好的生物相容性和可调节的生物降解性能，被广泛应用于生物医疗领域；直接携带细胞打印的生物打印技术，直接通过3D打印技术控制细胞在微观尺度的排列分布，对于调节细胞行为、细胞间的相互作用、细胞与材料间的相互作用以及促进细胞最终形成功能组织具有十分重要的意义。
3D生物打印机在生物领域已有广泛应用。2011年6月，一位女性在荷兰接受手术，成为3D打印下颚骨的第一位受益者。制造商在收到零件的3D数字设计图后先将其分为2D的层面，然后输入打印机。采用高精度激光一层层熔合钛粉制成，没有使用胶水或者液体黏合剂。植入的下颚骨拥有很多优势，包括增加表面积的凹陷、提高肌肉附着的空腔以及便于引导下颚神经的封套等，如图3.11所示。而且植入的下颚骨完美地贴合病人的骨骼，手术时间和住院时间得以缩短。这场手术成功地为使用3D生物打印给更多患者定制身体组件铺开了道路。
图3.11 3D打印的下颚骨
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