瑞士研发增材制造产品的新进展
一、增材制造医学产品的新成果
（一）医学领域探索增材制造的新信息
1．研发医学增材制造材料的新进展
制成可用于3D生物打印的细菌“活墨水”。2017年12月7日，瑞士苏黎世联邦理工学院复合材料实验室一个研究团队，在《科学》杂志网络版发表研究报告称，他们在3D生物打印领域获得一项新突破：研发出一种包含细菌的“活墨水”，可依据所添加细菌的不同种类，形成各种不同的三维结构，未来有望用于皮肤和器官移植。
皮肤和器官移植可以拯救很多患者，但这项技术存在来源不足、排异反应等弊端。3D生物打印被认为是一种解决之道，因此成为当前医学领域热门的研究方向，不过，其面临的最主要问题之一，是生物打印材料研究进展缓慢。通常3D打印所用的“墨水”都是塑料或金属粉末等无生命物质，适合制造一些高强度材料，但生物相容性材料，譬如皮肤移植物，对柔软度和韧性要求极高，传统“墨水”完全不符合要求。
此次，瑞士研究团队研发出一种内含不同种类细菌的3D打印“活墨水”，依据各种类型细菌的特性，适用于皮肤移植、化学物质降解等多种领域。
该“墨水”的主要成分，是一种具有生物相容性的水凝胶，由透明质酸、长链糖分子及热解硅石组成，细菌可在其中存活。凝胶中加入活体，包括恶臭假单胞菌和木醋杆菌，前者可用于降解化工生产中常见的废弃物，而后者合成的纤维素可用于皮肤移植及器官移植。
这项新成果现被命名为“功能性活墨水”，十分环保、安全，对人体及环境完全无害。它就相当于一个载体，在其中增加一种细菌，随之也会给该“墨水”扩展一项功能。研究人员表示，未来采用这种“活墨水”的3D打印，将会在无数可能的领域发挥其巨大潜力。
2．研发医学增材制造技术的新进展
发明生产人造组织的光学3D打印技术。2019年8月，瑞士洛桑联邦理工学院应用光子器件实验室克利斯朵夫·莫瑟负责，保罗·德尔罗等参加的项目组，与荷兰乌得勒支大学同行组成的研究团队，在《先进材料》期刊上发表论文称，他们发明了一种光学3D打印技术，只需几秒钟即可在含有干细胞的生物相容性水凝胶中雕刻复杂的组织形状。然后通过添加内皮细胞使得到的组织血管化。
这篇文章中描述了这种高分辨率3D打印方法。该技术将改变细胞工程专家的工作方式，使他们能够创造出一种新的个性化、功能性的生物打印器官。
研究人员把这项技术称作“体积生物打印”。为了制造组织，他们把激光投射到充满干细胞水凝胶的旋转试管中。他们通过把光的能量聚焦在特定位置来塑造组织，然后固化。几秒钟后，一个复杂的三维形状出现，悬浮在凝胶中。这种干细胞，在水凝胶中很大程度上不受该过程的影响，研究人员随后引入内皮细胞使组织血管化。
研究人员已经证明，可以创建一个几厘米的组织构造，这是一个临床上有用的尺寸。他们打印的人造组织，包括类似于心脏瓣膜的瓣膜、半月板和股骨的复杂形状的部分，他们还能够建立互锁结构。
德尔罗说：“人类组织的特性，在很大程度上取决于高度复杂的细胞外结构，复制这种复杂性的能力，可能会导致许多真正的临床应用。利用这项技术，实验室可用前所未有的速度大规模生产人造组织或器官。当在体外测试新药时，这种可复制性是必不可少的，它可以帮助消除动物测试的需要，具有明确的伦理优势和低成本优势。”
莫瑟说：“这只是开始，我们相信，这种方法，在本质上是可以扩展到大规模制造的，可以用于生产广泛的细胞组织模型，更不用说医疗设备和个性化的植入物了。”
3．研发医学增材制造设备的新进展
推出下一代3D生物打印机和软件。2020年11月，国外媒体报道，成立于2007年的生物医学企业雷根胡公司(Regenhu)，总部位于瑞士，其最大心愿是不断推进医学技术改革，为了适应市场需要，近日推出了下一代3D生物打印机和软件。新系统被称为R－GEN系列，在人机工程学、质量、友好性与性能等方面出类拔萃。
该系列每个生物打印机都经过专门配置，可以满足用户定制的研究目标。它们把喷射、分配，以及允许创建微纤维和纳米纤维的电纺和书写技术，与各种辅助工艺选项相结合，以构建简单或复杂的充满细胞的结构。目前，雷根胡公司提供了两个版本，一个称为R－GEN 100的台式3D生物打印机，另一个较大的3D生物打印站R－GEN 200。
通过新的生物打印管理软件，这些平台的设计涵盖了整个生物制造过程，包括对生物打印参数的监控和全面、实时的调整，以更简单、更高效的方式，确保打印质量和可重复性水平。新系列将为全球研究人员提供复杂的设计架构，应用范围从皮肤、骨骼和软骨等工程组织到药物发现，以及帮助生产个性化的药物化合物。
雷根胡公司首席执行官西蒙·麦肯齐说：“R－GEN平台和配套软件的设计，一直领先于合作伙伴的需求，以发展生物打印领域的研究和临床应用。我们对现在和未来的用户承诺是，生物打印仪器将增强他们的能力，实现他们的研究目标。”
在全新的R－GEN 3D生物打印机和配套软件中，雷根胡公司把意大利设计与瑞士精密工程相结合。台式R－GEN 100的重量为160公斤，占地不到一平方米，最多可容纳5个打印工具，具有独立的温度控制能力。以及真空样品安装系统、4个不同的打印工作区，并可选择温度控制、针和基材校准系统，以及用于过程中材料交联的光固化，用户甚至可以实时调整参数。R－GEN 200具有类似的功能，但它的重量为600公斤，占据了更大的工作空间，并配备了一台计算机、一个Ⅱ型生物安全外壳、内置防震系统、一个紫外线杀菌灯和一个可配置的工作台。
在过去的十年中，生物打印技术已经从创建组织发展到更复杂的结构，最终目标是再造人体组织和器官，用于移植和修复。虽然生物打印器官还远在未来，但随着研究人员对这项技术越来越感兴趣，技术也在不断完善。在医疗领域内开辟了一系列的应用，为复杂的病症，如急性外伤或慢性退行性疾病提供新的创新治疗方法。
对于处于生物学术前沿的研究人员来说，面临的挑战包括需要更可靠、更高效、更具成本效益的打印工艺、技术和工具，以成功输送具有高细胞活力的细胞，并设计复杂的多材料构建体。而对于以研究为导向的雷根胡公司来说，开发生物打印平台以协助研究和科学界，则是其业务活动的核心部分。
（二）研发增材制造医学产品的新信息
1．增材制造心脏与呼吸道支架的新进展
⑴研制出世界首个3D打印柔性心脏。2017年7月，瑞士苏黎世联邦理工大学研究员尼古拉斯·科尔斯等人组成的研究小组，在美国《人造器官》期刊上发表研究报告说，他们借助3D打印技术，制造出全球首个形状、大小以及功能都与真人心脏高度相似的柔性心脏。虽然这种人造心脏仍处于概念性测试阶段，还不能用于移植，但为相关研究提供了新思路。
研究人员说，这种人造心脏使用柔软硅胶材料，由3D打印和石蜡铸造技术制作而成，它重390克，容积679立方厘米。新型人造心脏是一个内部结构复杂的硅胶整体，包含一个右心室和一个左心室，有一个额外腔室将两个心室隔开。这个腔室起着类似肌肉的功能，能像泵一样驱动血液进出心脏。
目前，常用的人造心脏血泵等装置虽可泵送血液，但其机械部件易给使用者带来不良影响。科尔斯说：“因此，我们的目标，是开发一种大小与患者心脏大致相同的人造心脏，尽可能地模仿人体心脏的形态和工作方式。”不过，现在这种人造心脏还处于测试阶段。
⑵研制药物涂层3D打印呼吸道支架。2017年12月20日，国外媒体报道，由克里斯托弗·勒鲁和安德烈·斯图尔特教授领导，成员来自瑞士苏黎世大学、苏黎世大学附属医院和苏黎世联邦理工学院的一个研究团队，用3D打印机制作患者特异性药物涂层的呼吸道支架。这意味着,患者将接受较少的注射或其他治疗,以获得他们需要恢复的药物。
众所周知，引起呼吸道狭窄的原因有很多，比如说受伤、疾病、畸形、感染、肿瘤等等。无论什么原因，气道闭合会产生很严重的后果，比如气短甚至窒息。处理呼吸道狭窄的方法之一，就是使用支架。然而，由于患者的解剖结构不同，有时批量生产的支架在特殊情况下无法正常工作。瑞士研究团队已经认识到患者对特异性支架的需求，他们将尝试为患者开发用于呼吸道医疗用途的专用支架。
报道称，研究人员正在使用3D打印技术，来制作气管造口管和支气管支架。他们首先开发适于支架制作的3D打印基材，抓紧研制“药用墨水”，这是实现制造3D打印支架目标的重要环节。同时，对成品设备进行广泛测试。
研究人员说，他们将创建一种不仅坚固耐用的3D打印材料，而且还要提供超过其他材料的医疗优势。普通支架通常由镍钛合金或有机硅等材料制成，可引起疤痕组织、感染和严重粘液等副作用。据称，新的3D打印材料将避免这些副作用，或使其最小化。
研究人员表示，这些新支架，是由量身定做的3D打印设备制成的，它们具有更多的功能，在呼吸道治疗上是安全的，能够确保病人呼吸通畅，并能够在体内提供有针对性的可控药物或抗菌药物。研究人员认为，通过用细胞抑制药物涂层的3D打印支架，可以预防或抑制恶性肿瘤的生长。
2．增材制造骨骼与肌肉的新进展
⑴首次用3D打印机成功复制拇指骨骼。2009年3月9日，瑞士伯恩塞尔医院的一个研究小组，在《新科学家》网站撰文称，他们第一次使用3D打印机，成功复制出一个男人的拇指骨骼。这一突破，为外科医生将病人损坏或患病的骨头，用自身的细胞复制一份相同骨头的医学技术，铺平了道路。
研究人员认为，从理论上看，可以复制任何骨头。如果有人失去拇指，可以在原位长出复制的骨头。现在，值得选择只是，用病人自己的脚趾代替他的拇指，还是用其他地方的骨头碎片。复制骨头需要几个步骤：
首先，需要一张所需复制骨头的三维图，如果骨头丢失了或损坏了，可以用一对相同骨头中的另一个设法照出一张镜像图。图像被放到一个3D喷墨打印机里面，打印机里面添加有薄薄的多层选料，一层叠一层，直到三维物体成形。
接着，研究人员在打印机里，放上了人体中含有的磷酸三钙和聚乳酸两种自然材料。骨骼细胞被打印出来后，将被种植在一个支架上，骨骼“支架”上有成千上万的小气孔，从而有利于骨细胞的生长，并最终取代和完全降解生物支架。
最后，研究人员通过手术从病人骨髓中提取CD117细胞。CD117细胞在实验中，将发展成骨细胞的原始细胞。研究人员利用骨支架材料上的一种凝胶体，滋养和培育原始细胞。最后，经过15周的时间，支架在老鼠背上的皮肤下缝合，直到支架完全转变成人骨。
研究人员指出，这种复制骨头法的好处，是能保证骨头长得跟原来的一样，且在深植的过程中获得血管。研究人员说，实验证明，血管可从老鼠身上获得足够的营养，所以同样的方法也可用在人身上。
⑵利用3D生物打印制造出肌肉及肌腱。2020年7月，美国实验室自动化与筛选协会网站报道，瑞士苏黎世应用科学大学一个研究小组开发出3D生物打印平台，可进一步制造出肌肉与肌腱组织。评论指出，这项研究成果，将有助于研发治疗与年龄相关的退化性肌肉和肌腱疾病的药物。
报道称，医学界发现与研制治疗骨骼肌药物面临的瓶颈，在于缺乏有效的功能性化合物筛选试管分析技术。这次瑞士研究人员的创新做法，是结合3D生物打印的肌肉骨骼组织，制造以及可满足特殊组织附着需要的新型微孔板，为发现与研制治疗肌肉骨骼药物的新工具注入一股潜力。
研究人员把光聚合明胶甲基丙烯为主的生物墨与细胞悬液替代层，打印成哑铃形状，并安排进去一个全新的设计，形成具有24个孔洞与2根垂直柱平板的细胞培养小室，制成肌肉与肌腱组织模型。细胞经过打印在培养小室出现高生长性后，从遗传标识来看也具备良好组织差异性。此外，肌肉组织模型的功能性，也透过电子脉冲刺激，所引发的细胞钙信号与肌纤维收缩性也获得证实。
二、增材制造其他产品的新成果
（一）研发增材制造工业产品的新信息
1．以增材制造技术生产无人机的新进展
用3D打印技术造出可折叠的新型无人机。2020年8月，国外媒体报道，近年无人机被广泛应用于各个领域，已成为人们生活中的一个组成部分。据悉，瑞士洛桑联邦理工学院普泽米斯劳·科尔纳托夫斯基领导的研究小组，造出含有折纸灵感的新型无人机，它摆脱了以往的厚重，或者尺寸过大的问题，主要应用于货品的运送。
随着科技的发展，无人机正逐渐成为日常用品，以前的先进技术现在正被用于包裹运送等。该研究小组最近在这方面研究又取得了一些新进展，他们受到折纸灵感的启发，利用3D打印技术开发出一种新型无人机，可以携带重达500克的包裹。
研究人员环绕需要交货的物品，设计出无人机的整体框架。它有一个可折叠的碳纤维笼子，可以包裹物品，与包装一样，也可以保护无人机和货物，防止碰撞或跌落。只需要一个动作就可以折叠或展开笼子，使其体积减少90%以上，便于运输。
无人机的部件是使用3D打印技术生产的，以减轻重量。无人机采用四种不同的旋转螺旋桨，具有特殊的安全系统，当无人机的碳纤维架保持打开时，可以阻止螺旋桨旋转。这意味着交货将会更有效率，因为接收者可以伸出手来抓住无人机以获得货物。
此外，用户可以通过使用智能手机或其他移动设备的应用程序，进行远程控制和跟踪无人机，但它也可以被设置为自主飞行，研究人员为此编写了专有软件。该无人机在洛桑联邦理工学院校园进行了测试，作为在它最终进入商业分销之前的概念证明。
这个独特的新型无人机已考虑了几个潜在客户，因为它可以承载的距离远达2公里，额外重量意味着无人机技术的应用很快就会大幅度增长。除了提供邮件这样的日常工作外，研究人员还预见，无人机将被用于向遭受自然灾害或其他紧急情况困扰的人们，提供急救用品。
研究人员说：“这个项目是一个正在进行的工作，除了加强探测和避开物体的能力外，我们正在探索增加无人机有效载荷能力和增强自主性的可能性。无人机的未来版本，将会增加一个降落伞，以提高其安全性。还应改进软件和控制系统设计，以便更好地避免碰撞。”
2．以增材制造技术生产电池的新进展
运用3D打印技术制造磷酸铁锂电池。2021年8月，国外媒体报道，总部位于瑞士的黑石资源公司，核心业务是电池金属和炼油厂开发。近日，其下属黑石科技公司发布了一种基于磷酸铁锂技术的新型锂离子电池，它采用内部专利3D打印技术制造，已经过中试和试销等前期阶段，接着将进行大规模生产并投放市场。
该公司还宣布，它的目标，是使这款电池的量产能量密度，超过 220千瓦时/千克。公司研究人员表示，这项打印技术，可以生产各种形状的电池并广泛应用，如用于电动汽车、电动巴士和电动摩托车等。
报道称，3D打印锂电池使用磷酸铁锂技术，不需要钴或镍，而且价格相对便宜。虽然磷酸铁锂技术与其他电池化学成分相比，能量密度通常较低，但黑石科技公司所采用的专有厚层技术，消除了这些缺点。由于使用了3D打印制造工艺，与目前的锂离子电池技术相比，磷酸铁锂电池技术可提供20％～25％的能量密度。
据了解，该公司在生产基地的先进电池工厂注入大量资金。为了筹集资金，黑石科技公司最近签署了一项高达2000万瑞士法郎的可转换贷款协议。
3．以增材制造技术生产树脂产品的新进展
用3D打印技术把不透明树脂制成物体。2022年5月，瑞士洛桑联邦理工学院工程学院应用光子器件实验室一个工程师团队，在《先进科学》杂志上发表论文称，他们开发出一种3D打印方法，可在数秒钟内用光将不透明的树脂制成物体。这一突破性成果，或许可以在生物医学行业有良好应用前景，例如可用于制造人工动脉。
早在2017年，该工程师团队就设计出一种能够几乎瞬间制造物体的3D打印机。5年后，他们改进了自己设计开发的打印设备和方法，可生产出由不透明树脂制成的物品，而这在以前是无法实现的。
这台3D打印机是世界上速度最快的打印机之一。大多数3D打印机，是通过一层一层地沉积材料来工作的。而瑞士团队使用的是容积法，即将树脂倒入容器中并旋转。工程师从不同的角度用光照射容器，使树脂中积累的能量超过给定水平时就会固化。这是一种非常精确的方法，可以与现有3D打印技术相同的分辨率制造物品。
这一容积法，可用于几乎任何形状的物体。工程师们只花了20秒就制作出《星球大战》中尤达的微小雕像，而传统的制造工艺大约需要10分钟。
光线能够通过与塑料中包含的光敏化合物相互作用来固化树脂。工程师表示，新方法只有在光线以直线穿过树脂而没有偏离的情况下才有效，而不透明树脂中光无法顺利传播。为此，他们设计出一种解决方案。
首先，他们使用摄像机观察光线通过树脂的轨迹，然后通过调整计算来补偿光线失真。他们还对打印机进行了编程，以便运行计算并校正光线，这确保了机器能适时达到固化树脂所需的能量。于是，工程师们能够以几乎与透明树脂相同的精度，打印不透明树脂中的物体，这是一个重大突破。
下一步，工程师们希望能够同时利用新方法打印几种材料，并将打印机的分辨率从十分之一毫米提高到微米。
（二）研发增材制造建筑业产品的新信息
——用3D打印技术制作可节省混凝土的地板
2019年2月，国外媒体报道，以瑞士苏黎世联邦理工学院建筑技术研究所为基础组建的一个研究团队，尝试把3D打印技术应用到混凝土地板上，以便减少建筑物中使用的混凝土数量，并确保建筑业能够减少温室气体的排放。
众所周知，建筑业是温室气体的最大制造者之一，因为全球1/3的温室气体排放来自建筑业。在这些温室气体中，有很大一部分产生于地板系统所用的混凝土。因此，世界各地都在努力减少建筑物中混凝土的使用。在不牺牲强度的情况下使用更少混凝土材料的关键，是采用几何形状。拱形是一个很好的例子，压在拱顶部的重量会被分布在整个形状中，因为它在消除拉应力的同时将力分解成压缩应力。
由于3D打印具有层次性，其材料的抗拉强度，低于建筑行业中的大多数材料，但抗压强度较高。研究团队通过在地板系统中设计肋条和拱形，可以把推力转换为压缩力，这叫做“缆索系统”。研究人员使用一种沙子3D打印机，建立体积为1.8米×1.0米×0.7米的3D打印系统，以五件连接在一起的方式进行操作，相邻元素之间没有使用机械连接。原型的压缩主导结构形状允许使用简单的界面设计，这里仅使用公件与母件互锁特征来保证对齐。
为了生成缆索形式，他们使用推力网络分析及其软件来实现。他们在制造之前模拟了数百种不同的配置，用实验形式制作了第一个3D打印砂地板，并经过严格测试，以确保材料符合规范和人们使用的安全。它运行良好，与达到载荷标准要求仅差3％。所以，在第二个3D打印砂地板实验中，对其稍微修改，就完全符合载荷标准。第三个实验是一种不同的设计，它有更高的负载限制，并经历了更大的挠度，研究团队通过计算认为，这个问题可以通过额外的预加载来解决。
他们的实验表明，地板系统可以使用各种几何形状生产，这些几何形状比传统混凝土板中使用的材料少70％。他们继续加强研究，并使用传统的3D打印机创建模具，使他们能够把缆索系统结构直接结合到混凝土地板里，再放置在高性能、低能耗的项目公寓中。这种建筑方法，具有高科技和可持续发展的特点，它正在瑞士的杜本多夫建造房舍，并将容纳来访的苏黎世联邦理工学院教员。
如果没有3D打印，减少材料使用的几何形状通常是不可能制作出来的。这并不是说，建筑师不知道这些形状可以用在混凝土地板上使其更坚固，而是这些形状是难以置信的昂贵或不可能通过传统方式创造。研究人员表示，3D打印地板系统不仅可以释放材料，还可以释放可用于布线和导管的空间。他们正在与相关机构合作，确定房屋加热系统和冷却系统是否可以集成到地板中，从初步估计来看，这似乎完全是可能的。
——摘自张明龙和张琼妮著《瑞士创新信息概述》（企业管理出版社2023年9月版）第45～54页。
