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LLNL科學(xué)家發(fā)現(xiàn)3D打印的泡沫材料性能更出色
近日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的材料科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，3D打印的泡沫比標(biāo)準(zhǔn)蜂窩材料在耐久性和長期機(jī)械性能方面表現(xiàn)得更好。泡沫，也被稱為多孔材料，是在隔熱、減震緩沖，以及輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和氣浮部件等應(yīng)用中用得很多的一類重要材料。這種材料在各種行業(yè)里幾乎都用得到。傳統(tǒng)上，有很多工藝都可以制造泡沫，但是制造出來的泡沫結(jié)構(gòu)上具有高度的非均勻性，其在大小、形狀、厚度、連通性和孔隙單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面離散程度很高。為了改進(jìn)這種材料的性能，LLNL增材制造實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們最近展示了使用一種名為直接墨水寫入（direct-ink-write）的技術(shù)3D打印出具有均勻的泡沫結(jié)構(gòu)的可行性。
然而，由于3D打印技術(shù)往往需要用到聚合物的某些屬性，因此在將其商業(yè)化之前，對于這種打印材料的長期機(jī)械穩(wěn)定性的了解就變得重要了，尤其是那種需要提供緩沖的應(yīng)用，在這些應(yīng)用里泡沫材料往往需要長期承受機(jī)械應(yīng)力。為了解決穩(wěn)定性問題，LLNL的研究團(tuán)隊(duì)對傳統(tǒng)的隨機(jī)泡沫和3D打印的泡沫材料樣品進(jìn)行了加速老化實(shí)驗(yàn)，在試驗(yàn)中，這兩種樣品都要在恒定壓縮應(yīng)力的條件下經(jīng)受一系列的高溫。與此同時(shí)，科學(xué)家們會在為期一年甚至更長的時(shí)間里對每個(gè)樣本的應(yīng)力條件、力學(xué)響應(yīng)和永久結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測。這是一種被稱為時(shí)間-溫度-疊加的實(shí)驗(yàn)方法，主要用于構(gòu)建此類屬性在指定環(huán)境條件下，在幾十年時(shí)間里進(jìn)行演變的量化模型。據(jù)了解，最終，這項(xiàng)研究令人信服地證明，3D打印的泡沫材料老化緩慢，即與傳統(tǒng)泡沫材料相比，能夠更好地保持其機(jī)械和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。有趣的是，泡沫材料中的天然橡膠（即彈性體）卻表現(xiàn)出完全相反的特點(diǎn)，即在3D打印的泡沫中老化得反而更快。
為了更進(jìn)一步了解為什么3D打印的蜂窩材料會顯示出優(yōu)越的長期穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)使用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對每個(gè)樣品的3D微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，并對每個(gè)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分布的有限元分析。他們發(fā)現(xiàn)在隨機(jī)泡沫內(nèi)局部應(yīng)力的變化幅度要大得多，其最大應(yīng)力值要明顯高于更加均勻的3D打印泡沫。這項(xiàng)研究已經(jīng)被發(fā)表在了4月27日出版的《Scientific Reports》雜志上。
泰國暹羅水泥集團(tuán)開發(fā)出可3D打印水泥
雖然3D打印房屋仍然聽起來像是科幻小說中的一些事情，但該技術(shù)目前進(jìn)展順利。在它變得司空見慣之前，自然會有一些障礙需要克服，但大多數(shù)的工作已經(jīng)就緒。許多公司已經(jīng)開發(fā)出能夠作為3D打印機(jī)的大型機(jī)器人，并不斷開發(fā)新的混凝土和水泥配方。此時(shí)主要障礙似乎是工序的費(fèi)用，不過隨著技術(shù)變得越來越普遍以及多功能機(jī)器人進(jìn)行3D打印，這是必然下降的。然而，這些都是相對較小的技術(shù)障礙，似乎不會放緩工藝的進(jìn)程。一直以來，真正的障礙是材料?；炷梁退噙@些材料需要非常適合于3D打印機(jī)器人的大規(guī)模修建工作，它們需要能夠快速干燥，以支撐起自己并結(jié)合在一起。泰國水泥生產(chǎn)商暹羅水泥集團(tuán)（SCG）已經(jīng)開發(fā)出了一種令人吃驚的新水泥，它將粉體材料和纖維用一種特殊的組合方式來混合，使其可以迅速被打印成非傳統(tǒng)的形狀。它能夠快速結(jié)合因而可以打印成令人驚奇的曲線和彎折，并且在干燥過程中可以保持獨(dú)立而不需要支撐材料。SCG用他們的新方式3D打印六梁結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是模仿骨的解剖結(jié)構(gòu)。它們的外面很堅(jiān)硬，而在內(nèi)部是部分中空和海綿狀的，其結(jié)果比傳統(tǒng)的混凝土更具彈性。在泰國建筑師Pitupong Chaowakul的設(shè)計(jì)下，這些柱子被用來創(chuàng)建一個(gè)漂亮的亭結(jié)構(gòu)。它被稱為“二十一世紀(jì)的洞穴Y-Box 亭”，這是東南亞的首個(gè)3D打印建筑。這個(gè)名字是一個(gè)雙關(guān)語，基于建筑師們經(jīng)常提出的關(guān)于住房的問題，“為什么它必須是一個(gè)盒子？”。
Y-box亭被展示在從4月26日到5月1日的“architect16″Muang Thong Thani展覽”。它被稱為一個(gè)洞穴因?yàn)橹颖辉O(shè)計(jì)成石筍的現(xiàn)代化演繹，而不是簡單的石灰石的堆積，它們是結(jié)構(gòu)支撐梁。他們獨(dú)特的幾何形狀被設(shè)計(jì)出來不僅是為了美觀，而且還要堅(jiān)固耐用。如果建筑師能夠放飛思維脫離盒子結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的直立柱墻，不僅這一特別的具有創(chuàng)造性的水泥方案使得這些建筑成為可能，最終建設(shè)進(jìn)程也有望加快。
Chaowakul花費(fèi)了約三個(gè)月來完成Y-box柱子的設(shè)計(jì)，之后使用意大利的大型3D打印機(jī)來制作又花費(fèi)了一個(gè)月。所使用的特殊的先進(jìn)水泥漿體是相當(dāng)堅(jiān)固的，可以承受非常高的壓縮率。Y-box表面上是一個(gè)避雨的場所，實(shí)際上在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮具體的功能，但柱子可以很容易地用于房子或建筑結(jié)構(gòu)的支撐。這一制作柱子的技術(shù)可以完全改變設(shè)計(jì)師所設(shè)計(jì)的建筑的方式，并且可以改變我們所知道的關(guān)于設(shè)計(jì)房屋的一切。雖然不能很快使你擺脫錘子和釘子，但它仍然是早期的3D打印結(jié)構(gòu)。這個(gè)過程需要合理化和簡化，而且在大規(guī)模使用時(shí)仍然非常昂貴。單單這些柱子就花費(fèi)了SCG約100萬泰銖（28500美元）來制造，這還是在沒有算上設(shè)計(jì)和安裝費(fèi)用的情況下。Y-box亭也只是一個(gè)六柱結(jié)構(gòu)，顯然不是一個(gè)完整的家。但是，如果給予時(shí)間和一些投資來精煉這一技術(shù)，終有一天我們將不再生活在那些盒子里。
科學(xué)家正研發(fā)可優(yōu)化3D打印骨骼的材料配方
要制造一個(gè)好的框架來填補(bǔ)人體缺失的骨骼，用30%的粉狀天然骨加上一些特殊的人造塑料，再用一臺3D打印機(jī)打印出所需的形狀即可。這就是約翰·霍普金斯大學(xué)的研究人員4月18日在線發(fā)表在《ACS Biomaterials Science & Engineering》雜志上的一篇論文的結(jié)論。約翰·霍普金斯大學(xué)的科學(xué)家們說，每年都會有大約20萬人因?yàn)槌錾毕?、?chuàng)傷或手術(shù)原因需要更換頭部或者臉部的骨骼。迄今為止，對于這些患者最好的治療方案是從病人不承擔(dān)身體重量的腓骨上取下一段骨頭，然后把它切成所需的形狀并植入正確的位置。但是該校醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系副教授Warren Grayson博士認(rèn)為，這種方法不僅會造成腿部創(chuàng)傷，而且由于腓骨相對比較直，難以跟臉部的曲線擬合得特別好。
為了解決這一問題，研究人員們轉(zhuǎn)向了3D打印技術(shù)。眾所周知，這一技術(shù)非常擅長用塑料制造出極其精確的結(jié)構(gòu)——包括準(zhǔn)確的解剖結(jié)構(gòu)。不過“放在塑料支架上的細(xì)胞需要一些引導(dǎo)因子才能夠轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌?xì)胞”。為此，Grayson和他的團(tuán)隊(duì)希望通過實(shí)驗(yàn)找到一種復(fù)合材料來3D打印骨骼支架，這種材料要能夠?qū)⑺芰系膹?qiáng)度和可打印性與天然骨里存在的生物“信息”結(jié)合起來?？茖W(xué)家們一開始就選擇了聚己內(nèi)酯（PCL），這是一種可降解聚酯，經(jīng)常用于制造那些已經(jīng)獲得FDA批準(zhǔn)可以用于臨床的聚亞安酯。“PCL會在80到100攝氏度的時(shí)候融化，這個(gè)融點(diǎn)低于大多數(shù)塑料，所以對于那些通常會在較高溫度下?lián)p壞的生物材料來說，這是一個(gè)很好的混合對象。”Grayson團(tuán)隊(duì)里的研究生Ethan Nyberg說。
盡管PCL的強(qiáng)度很高，但是研究團(tuán)隊(duì)從以往的研究中了解到，它并不能很好地支持新骨的形成，所以科學(xué)家們將它與骨粉混合在一起。這種骨粉是將牛膝蓋骨內(nèi)部的多孔骨骼剝離細(xì)胞之后粉碎制成的。Grayson稱他們對該復(fù)合材料進(jìn)行的第一個(gè)測試是可打印性。其中5份骨粉含量為30%和70%的混合物表現(xiàn)出色。而當(dāng)骨粉的比例達(dá)到85%時(shí)，由于PCL“膠水”太少而不能保持清晰的晶格形狀，因此在隨后的實(shí)驗(yàn)中被淘汰。另外，為了研究該支架是否能夠刺激骨骼形成，研究人員通過吸脂術(shù)為支架添加人類脂肪源性干細(xì)胞，并將支架浸在缺乏親骨成分的營養(yǎng)培養(yǎng)基中。三周之后，在含有70%粉骨的支架上的細(xì)胞的基因活性比純PCL支架上生長的細(xì)胞高出幾百倍，而在含有30%的骨粉的支架上的細(xì)胞的基因活性也很高，但沒有前者那么令人印象深刻升幅。隨后，科學(xué)家們將關(guān)鍵成分β-甘油磷酸加到細(xì)胞的培養(yǎng)基中，使它們的酶可以沉積骨骼的主要礦物質(zhì)——鈣。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與在純PCL支架上的細(xì)胞相比，在30%骨粉支架上的細(xì)胞每個(gè)多產(chǎn)生大約30%的鈣，而那些在70%支架上的細(xì)胞可以產(chǎn)生超過兩倍的鈣。最后，研究團(tuán)隊(duì)將其支架在小鼠身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)小鼠的頭骨被研究人員弄出了一個(gè)很大的洞，如果沒有干預(yù)的話，這頭骨的創(chuàng)面太大不可能自行愈合。在隨后12周的實(shí)驗(yàn)里，研究人員將裝滿干細(xì)胞的支架植入小鼠的傷口，讓新骨在洞里生長。CT掃描顯示與純PCL支架相比，那些含有30%或70%的骨粉的支架骨骼生長量至少增加了50%。雖然“脫細(xì)胞”的牛骨已經(jīng)被FDA批準(zhǔn)可用于臨床使用，研究人員們說，在今后的研究中，他們希望能測試人類骨粉，因?yàn)楹笳叩呐R床應(yīng)用更為廣泛。
研究人員使用鈦鉭合金改進(jìn)3D打印植入物的應(yīng)力吸收
由于其出色的物理性能和抗感染性，鈦合金是制造諸如膝關(guān)節(jié)/髖關(guān)節(jié)植入物這樣的骨科裝置的首要選擇。日前，來自新加坡科技研究局（A*STAR）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)使用具有有趣屬性的鈦、鉭粉末可以3D打印出具有更好的應(yīng)力吸收能力的定制植入物。到目前為止，研究人員們主要使用選擇性激光熔融（SLM）技術(shù)和鈦鋁基粉末來3D打印生物原型。SLM技術(shù)通常使用高功率激光器來根據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)模型逐層構(gòu)建3D對象。但是由于鋁這種元素對人體神經(jīng)有著長期不良影響，導(dǎo)致科學(xué)家們希望能夠找到其它材料來取代它。為此來自A*STAR下屬新加坡制造技術(shù)研究所（SIMTech）的Florencia Edith Wiria和南洋理工大學(xué)新加坡3D打印中心的Wai Yee Yeong發(fā)起了一個(gè)合作研究項(xiàng)目，希望通過開發(fā)一種創(chuàng)新的金屬共混物來使用SLM技術(shù)3D打印出更好的鈦合金生物醫(yī)療產(chǎn)品。理論上說，鈦、鉭元素組成的合金是絕對沒有問題的，因?yàn)檫@兩種金屬都擁有生物相容性，而且其機(jī)械屬性要由于純鈦。但是鉭金屬的熔點(diǎn)非常高（超過3000攝氏度），這就意味著將鈦金屬變成可用于SLM技術(shù)的球形金屬粉末在經(jīng)濟(jì)上基本不可行。而市場上常見的鉭粉通常是通過氣體霧化形成的長條形粗糙微粒。為了克服這一問題，研究團(tuán)隊(duì)將這種粗糙的鉭金屬粉與另外一種市場上現(xiàn)成的微球形鈦金屬粉末混合在一起。在將這兩種材料混合半天之后，他們觀察到這種混合物可以鋪設(shè)得更加均勻，更便于SLM技術(shù)使用。顯微鏡實(shí)驗(yàn)揭示在混合之后鈦金屬的球形形狀仍然保留，這是該混合物可成功用于3D打印的關(guān)鍵。
通過將一種棋盤式的激光掃描模式上下交替熔融金屬或者從一邊到另一邊的移動(dòng)來減少熱應(yīng)力，研究人員成功地使用SLM技術(shù)制造出了鈦鉭合金的3D形狀。出人意料的是，通過X射線和其它成像技術(shù)探測表明，鉭金屬的加入，再加上快速凝固，促進(jìn)和穩(wěn)定了高強(qiáng)度的層狀鈦晶粒的形成。研究人員預(yù)計(jì)，這種鈦鉭合金將能夠減輕“應(yīng)力遮擋”效應(yīng)，所謂的“應(yīng)力遮擋”效應(yīng)是指植入物的硬度過高導(dǎo)致其鄰近的骨骼得不到足夠的力學(xué)刺激而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的現(xiàn)象。“這些合金是專門被設(shè)計(jì)用于骨骼科應(yīng)用的，甚至有可能在變形后，顯示出某種形狀記憶能力。”Yeong說。這項(xiàng)研究成果已經(jīng)被發(fā)表在了2016年3月5日出版的《Alloys and Compounds》雜志上，論文題目是《帶50%重量比鉭金屬的鈦合金的選擇性激光熔融：微結(jié)構(gòu)和機(jī)械屬性（Selective laser melting of titanium alloy with 50 wt% tantalum： Microstructure and mechanical properties）》。
