【高端演讲】上海大学教授胡庆夕:生物3D打印综合成形工艺与装备
【导读】 在6月下旬,世界3d打印大会在青岛举行。南极熊3D打印网也到了现场进行了大量的报道,详情请看南极熊报道 http://www.dddyin.com/forum-103-1.html 。南极熊作为一个3d打印的专业媒体平台,一直致力于推动中国3D打印行业的发展。希望下面的一些内容对大家有所启发。
张人佶:下一个报告人是胡庆夕,上海大学教授。
胡庆夕:我是来自上海大学的胡庆夕,我们团队主要是做有关生物3D打印装备方面的研究。我报告的题目是《生物3D打印综合成形工艺与装备》。
我从四个方面,首先把我们单位的情况做一个简单的介绍。我们是从2001年开始围绕过去叫快速成形、快速模具,从那个时候开始这项工作。我们在3D打印方面应用了14年,在这个方面的研究也研究了14年。我们为企业服务数十万件,用3D打印。我们的装备,3D打印以及快速模具方面的装备有13台,包括一些我们工业用的软件,以及医学的软件。
上面那个是一个应用的,我们的装备。在这个方面,现在显示的是我们在生物制造研究方面的。因为我们主要是做装备,包括后面要做实验,所以有生物的,以及辅助装备和自动化装备,以及细胞房和无菌打印室,验证我们的装备。我们这么多年来和上海组织工程研究中心、上海交大第九人民医院、瑞金医院、新华医院、中山医院、同济大学十院合作。下面这个是我们的题外话,这是我们做的真空注型方面的研究。大家都知道快速成形,或者叫3D打印,但是丢了一个快速模具。因为我们说做小批量都需要快速成形做一个样件,然后后面做小批量制作,那就是快速模具。我们在展位上很多人都问这个,搞不清楚这是什么,这是我们研发的,完全的自主知识产权。
接下来把背景和意义介绍一下。刚才马教授也讲了,我们知道美国《时代》周刊把3D打印这个产业列入了美国十大增长最快的产业,而且我们习总书记在前一两周两院院士的报告上也点到了机器人、3D打印和人工智能制造技术。国家领导人点到了,那看来这个事会更热了。随着3D打印的发展,我们知道,3D打印开始进入了医学界。刚开始我们做模型,做一些模型给医院,后面就逐渐形成了一个全新的研究领域,这就是我们把工科和生命进行交叉,一个新型的学科出现了,就是我们说的搞生物3D打印了。这个方面全世界都在关注。
关于生物3D打印,可能每个人的说法都不一样,我们也听到了一种说法,它是这样比喻的:“3D打印如果比喻成皇冠的话,生物3D打印就是皇冠上的明珠”。当然每个人的比喻都不一样,也就是说它可能是更高一个层次的研究,为我们人类将作出贡献的一个方面。因为我们提到组织工程器官的缺损,功能障碍,这是人类健康的主要危害之一,我们生物3D打印就在围绕这方面做工作。美国预测未来十年人工器官和功能组织的替代产品将达到50%,人造的器官潜在的市场就是4000亿。所以从这个方面也展示了这个巨大的应用前景。
还有预言的,研究生物3D打印已经制造动脉,最早有望在五年内用于心脏的搭桥。还有预言,心脏和谷歌等更复杂的习惯将在十年内被打印出来,都是预言。还预言细胞从干细胞中分化出各种其它的细胞,制成生物墨水,一层一层的打印,建立肾脏。从这个方面也体现了生物3D打印在全世界的热。
在3D打印方面,一个我们知道是用3D打印来制备组织工程支架,这个方面的研究很多人都做了。再一个方面就是研究新型的3D打印工艺和装备,两个方面的研究。那我们第一个方面,用3D打印,这个过程我们已经结束了,在2003-2005年的时候都是用3D打印。现在我们主要是做3D打印,就是生物3D打印。
生物3D打印发展的瓶颈就是我们要研究新型装备,涉及的学科就很多。不光说做一个装备的机械、控制、计算机,这是我们做一般的装备,这三个领域。但是做这个装备,它牵扯的就多了。像我们说医学、生命、材料,都设计了,所以这个领域研究各个方面的研究人才都需要,所以它是个非常交叉的学科。
最后我谈谈我们研究的成果,我们在这次展会上,可能很多专家教授也都看到了,我们研究是生物CAD/CAM/3D打印综合成形集成系统。我们这个系统的特点一个是综合成形的工艺,这里面包括3D打印的工艺,电纺丝的工艺,多细胞组装的工艺,不是单一的3D打印工艺。材料复合的结构形状包括多材料、多梯度、多尺度结合的一次成形。在技术方面,一体化复合支架的3D打印成形技术以及基于电喷射的多细胞打印技术,还有生物CAD/CAM。
我们做的装备是想实现从CT扫描得到的数据通过这个系统到后面出现结构体,包括细胞打印,一体整个完成。实际上我们初步已经出现了,在我们展位上就已经有了。不能说完善,已经有了。
我们主要分了两大系统,一个是生物CAD/CAM系统。从事机械领域的都知道,我们有一个机械的CAD/CAM,我们把它命名为生物的CAD/CAM,就是医学图像的处理,CAM就是我们加工路径的规划,再一个就是生物3D打印综合成形系统。适用的材料在这边,下面就是生物CAD和生物CAM两个部分。
这是生物3D打印的综合成形系统,旁边还有一个历史,这是我们最早的设备,在去年的中国3D打印报告上我介绍的还是这个装备。我们在用这个装备的过程中自己研发,出现了新的装备。
这是一段录像,可能到展位上就看到了。是建模部分。缺损部位的获取。这是我们做的第一步,新的要求在后面,目前实现的是到建模部分,包括路径规划、打印。多喷头的打印。可以做到几微米到几百微米,因为我们一般说3D打印要做几微米很难实现,但是我们这里面估计可以做到几微米到几百微米,整个这样一个大的空间范围内。这是到另外一个工位做电纺丝。这里面支架有宏观的,有微观的。微观就是刚才看到用电纺丝的来实现。在这里看到宏观孔,还有微观孔,可能大家看得不清楚。这是做血管。
这是我们在做路径规划方面,以及做支架方面发表的一些文章,在一些著名的期刊上都发表了。这里有复合支架,有单尺度的,两种,下面做了一些对比,这是由上海第九人民医院提供的图片。这个是在做血管,因为现在医院有很多种方法,有用编制的、微压印的,以及金属的,我们做的是3D打印的,这是和新华医院的合作。
再一个,我们做再生膜。一个是用单一材料PVA,做双层的时候就显得很致密,这里就用了两种材料来做疏松。对它做了拉力实验。这里是中空管,血管方向可以推进。这边是一个有序结构的,这个可能看不清楚。这个对于细胞的生长是有好处的,就是引导它往哪个方向发展。这个是电喷,这边就是电纺,大家可以看到电纺丝细胞在这个方向上,做了各种实验,这个也发表在期刊上。
这是前一段我们做的人成纤维细胞,它用3D打印和没用3D打印进行的对比。这是第九人民医院做的实验,通过我们的机器进行打印。实验的结果他们感觉非常满意,通过这个装备来进行打印。这个是人的软骨细胞进行的对比,对比的结果也得到了他们的认可。
再一个是在展药(音)上做的工作,这个是给瑞金医院合作。这个是刚刚开始探索,用生物3D打印来做,可能结果还不是很满意,因为我们刚刚在这方面用这个装备进行实验。
最后总结一下我们这个系统,完全是自主开发的,没有任何别的技术在里面。再一个,实现了从CT一直到打印,就是建模到打印整个的过程。实现了挤出成形和静电喷射双工位,在这个系统上,可以进行挤出静电纺丝和电喷射的单一成形工艺或综合成形工艺的制品,实现微观、宏观以及宏微观结构的复合加工。适合的领域我就不说了,很多方面都在用这个装备进行探索。
欢迎大家到这个地方看装备,谢谢大家。(C-94展位)
互动:用成骨细胞和软骨细胞,你也做了电纺丝的支架,你有试着做培养不同的细胞在支架上面吗?
胡庆夕:我们正在实验这两种细胞,通过3D打印,会不会对细胞产生影响,在九院做实验,他们进行分析,得到的结果他们认为是满意的,因为下面接着要做更多细胞通过3D打印来实现。
互动:您提的生物薄膜是用在什么方面的?
胡庆夕:血管。
互动:我想问一下,您在做这个3D打印细胞的时候,因为咱们做生物医学工程领域的都知道,在这个细胞培养的过程中,普通的放在体外的培养,尤其是静态培养条件下,一般培养大块组织上,它的细胞就没法获得营养。我现在想问,你打印的软骨,打印完以后,这个细胞在体外培养的活性和生成细胞有没有差别?怎样解决这个问题?
胡庆夕:刚才我也讲,在我们临出来前刚刚做了这个实验。
互动:您这个打印完细胞的活性和普通接种到支架上的细胞的活性有没有什么差别?
胡庆夕:这个现在因为没有做,我刚才讲了,我们现在做的就是两种细胞,一个是没有打印的,一个是打印的,打印完了前几天刚刚做了对比实验,刚刚做完,后面可能还要做更多的实验。首先验证能不能做,这是第一步,到底做了后面还有什么问题,那还要再探索。
互动:好,谢谢。
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