近些年，經(jīng)常會(huì)看到關(guān)于3D打印的新聞報(bào)道：醫(yī)院用3D打印定制出適合病人尺寸的器官模型，某創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)制造出薄如紙片的LED燈……美國(guó)通用電氣公司曾指出，50年內(nèi)3D打印技術(shù)將能夠成功打印出一臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)。3D打印技術(shù)已被認(rèn)為是第三次工業(yè)革命的核心技術(shù)之一。

3D打印屬于快速原型制造技術(shù)的一種，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用工程塑料或金屬粉末等可黏合特性，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的快速成形技術(shù)。該技術(shù)能夠簡(jiǎn)化產(chǎn)品制造程序，縮短產(chǎn)品研制周期，提高效率并降低成本，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、文化、國(guó)防、航天、汽車及金屬制造等產(chǎn)業(yè)，被認(rèn)為是近20年來(lái)制造領(lǐng)域的一個(gè)重大技術(shù)成果。

根據(jù)打印技術(shù)原理以及所適用材料的不同，3D打印技術(shù)可分為激光熔覆成型技術(shù)(LCF)、熔融沉積快速成型技術(shù)(FDM)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)、立體光固化技術(shù)(SLA)、三維印刷成型(3DP)等。但這些傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)能夠打印的線材尺度目前只能到毫米級(jí)，所打印的成果產(chǎn)品表面有的還較粗糙，達(dá)不到最理想的效果，另外有的生物產(chǎn)品經(jīng)過(guò)3D打印的高溫?zé)Y(jié)或熔融沉積會(huì)導(dǎo)致生物活性降低，限制了其應(yīng)用，因此研究者開(kāi)始把眼光投到更深層次的應(yīng)用和技術(shù)上。于是我們熟悉的靜電紡絲技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入人們的想象。

在靜電紡絲行業(yè)，3D打印也越來(lái)越受到人們重視，研究者開(kāi)始思考如何將同樣受到重視的靜電紡絲與3D打印結(jié)合集成為一體，從而改變3D打印在尺寸上的缺陷，同樣也使靜電紡絲從單純的膜、線、帶這種二維結(jié)構(gòu)擴(kuò)大到三維結(jié)構(gòu)，由此3D打印結(jié)合靜電紡絲慢慢開(kāi)始從研究者的想象中走出來(lái)，進(jìn)入現(xiàn)實(shí)，一些技術(shù)開(kāi)始得到應(yīng)用。

3D生物打印技術(shù)是當(dāng)前3D打印技術(shù)中最前沿、最受關(guān)注的領(lǐng)域之一。由于3D打印具有個(gè)性化特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)，具體包括細(xì)胞打印、組織工程支架和植入物、牙科等。雖然生物3D打印技術(shù)在制造生物可降解的三維結(jié)構(gòu)方面，有著其他傳統(tǒng)工藝不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但是目前幾種較成熟的3D打印工藝，如SLS、SLA和3DP中往往借助了高溫?zé)Y(jié)、噴灑黏結(jié)劑等輔助成形手段，會(huì)導(dǎo)致材料生物活性遭到破壞，這在很大程度上限制了這些方法在組織工程、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。為此，基于3D打印原理的生物增量擠出成形技術(shù)和電紡絲技術(shù)先后被提出，并受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

3D打印軟骨

澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)Dietmar W. Hutmacher教授團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》上發(fā)表了《Reinforcement of hydrogels using three-dimensionally printed microfibres》一文，詳細(xì)介紹了如何利用生物相容性材料更為有效地修復(fù)人體組織，尤其是關(guān)節(jié)軟骨。由于軟骨既要有一定的機(jī)械強(qiáng)度又需要具備柔韌性，因此研究人員測(cè)試一種新的水凝膠和超細(xì)纖維支架合成材料來(lái)到達(dá)此要求。研究人員使用了一種新的3D打印技術(shù)——熔體靜電紡絲寫(xiě)入(melt electrospinning writing)技術(shù)，這是一種使帶電荷的聚合物熔體在靜電場(chǎng)中形成射流來(lái)制備聚合物超細(xì)纖維的加工方法，該方法有助于提供用于細(xì)胞生長(zhǎng)的空間，同時(shí)對(duì)細(xì)胞所需的機(jī)械剛性也有一定的幫助。最終打印出的結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自然愈合，而且能促進(jìn)新組織的生長(zhǎng)。這項(xiàng)基于靜電紡絲原理的3D打印技術(shù)，為生物醫(yī)學(xué)研究人員打開(kāi)了大門(mén)。

3D打印可吸收血管支架

《physical chemistry chemical physics》(Phys.Chem.Chem.Phys.,2015, 17, 2996)發(fā)表了韓國(guó)機(jī)械和材料研究院Su A. Park教授《Characterization and preparation of bio-tubular scaffolds for fabricating artificial vascular grafts by combining electrospinning and a 3D printing system》一文，文獻(xiàn)中提到用天然高分子納米纖維組成的人造血管移植到人體中以促進(jìn)受損血管的恢復(fù)。然而，靜電紡絲納米纖維的生物相容性材料，如殼聚糖，都缺乏良好的機(jī)械性能。因此研究者的設(shè)計(jì)和制造分為兩步，第一步采用靜電紡絲技術(shù)制備殼聚糖和PCL共混納米纖維支架，然后使用3D快速成型技術(shù)涂布PCL鏈，最終制備出人造血管。應(yīng)用此方法制造的人造血管具備優(yōu)良的機(jī)械性能，并且該方法可用于血管重建。

上海大學(xué)快速制造工程中心在生物3D打印方面也有突破性進(jìn)展。上海大學(xué)劉媛媛在2015年6月《Journal of Southeast University》中發(fā)表題為《Composite bioabsorbable vascular stents via 3D bio-printing and electrospinning for treating stenotic vessels》一文，文中設(shè)計(jì)了一種新型血管支架用于血管狹窄治療。針對(duì)目前制備生物可吸收血管支架在裝備和技術(shù)上的不足，提出了結(jié)合生物3D打印和靜電紡絲制備復(fù)合生物可吸收血管支架的新方法。首先，用PPDO材料通過(guò)3D打印制備支架內(nèi)層；然后配制殼聚糖和PVA混合溶液，通過(guò)靜電紡絲制備支架外層，力學(xué)性能測(cè)試顯示結(jié)合3D打印和靜電紡絲制備的支架要好于僅采用普通支架。在支架上種植細(xì)胞試驗(yàn)表明，細(xì)胞在支架上有良好的粘附和增殖，所提出的復(fù)合成形工藝和方法，為后續(xù)構(gòu)建可控載藥支架提供了很好的思路。

3D打印服裝

目前用3D打印技術(shù)打印的衣服一般質(zhì)感較硬，無(wú)法做貼身的衣物。傳統(tǒng)的靜電紡絲，一般使用高壓電源，泰勒錐與接收平臺(tái)之間的距離較大，紡絲之后成為一團(tuán)，難以控制其有序堆疊。來(lái)自美國(guó)舊金山的團(tuán)隊(duì)將成型平臺(tái)制作成衣架形狀，推出了全球第一個(gè)3D電動(dòng)織布機(jī)Electroloom，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)聚酯纖維混棉衣物。這臺(tái)3D打印機(jī)的原理類似于靜電紡絲，使用CAD軟件設(shè)計(jì)模板，將設(shè)計(jì)好的模板放入打印倉(cāng)后，混合的織物液態(tài)溶液在電磁場(chǎng)的引導(dǎo)下，按照模板“澆鑄”成型，這一過(guò)程稱為“靜電紡絲”。然后，打印機(jī)將混合在一起的納米纖維均勻地涂織成型，凝結(jié)成一種無(wú)縫的面料。

3D打印建筑物

韓國(guó)國(guó)立首爾大學(xué)Kim教授在《Langmuir》上發(fā)表題為《Toward Nanoscale Three-Dimensional Printing: Nanowalls Built of Electrospun Nanofibers》的文章，他們展示了可以用3D打印構(gòu)建的獨(dú)立納米墻壁和其他納米級(jí)3D物體，介紹了一種以精確、重復(fù)的方式靜電沉積聚合物納米纖維從而生成指定物體的新方法。

靜電紡絲是一種制造聚合物納米管相對(duì)簡(jiǎn)單的方法。納米級(jí)纖維流非常混亂，要想控制單根纖維十分困難。在他們最近的研究工作中，發(fā)現(xiàn)使用一種薄金屬電極線可以使得納米級(jí)纖維流相對(duì)有序。使用這條線，上述聚合物納米管可以被堆疊形成壁形結(jié)構(gòu)。研究表明，可以利用纖維和金屬線之間的靜電相互作用平衡聚合物纖維內(nèi)部的張緊程度，并且通過(guò)控制底座的平移可以控制一個(gè)納米壁的長(zhǎng)度。該研究小組稱這種新穎的3D打印技術(shù)可用于生物支架、納米過(guò)濾器、納米電極等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

電紡已經(jīng)在組織工程支架和儲(chǔ)能等領(lǐng)域發(fā)揮了其巨大的作用，但在構(gòu)建各種形狀方面，還是需要快速成型技術(shù)，所以3D打印技術(shù)的加入無(wú)疑會(huì)豐富電紡的應(yīng)用空間，而反過(guò)來(lái)，如今的3D打印技術(shù)在尺寸細(xì)化問(wèn)題上還不能得到很大突破，僅止于毫米尺度，電紡技術(shù)解決了線材的尺寸問(wèn)題。