南極熊盤點：哈佛大學(xué)在3D打印方面的黑科技

哈佛大學(xué)，坐落于美國馬薩諸塞州劍橋市，是一所享譽世界的私立研究型大學(xué)，是著名的常春藤盟校成員。這里走出了8位美利堅合眾國總統(tǒng)，上百位諾貝爾獲得者曾在此工作、學(xué)習(xí)，其在文學(xué)、醫(yī)學(xué)、法學(xué)、商學(xué)等多個領(lǐng)域擁有崇高的學(xué)術(shù)地位及廣泛的影響力，被公認(rèn)為是當(dāng)今世界最頂尖的高等教育機構(gòu)之一。哈佛在各個科學(xué)方面的研究都有著巨大的貢獻，當(dāng)然在3d打印方面也不例外，下面南極熊就為大家來盤點一下哈佛在3d打印技術(shù)的一些黑科技。

1.哈佛3D打印的鋰離子電池

哈佛大學(xué)的科學(xué)家們早在2013年6月首次推出3D打印電池。團隊使用3D打印技術(shù)創(chuàng)建砂晶粒大小的鋰離子微電池，這比人頭發(fā)細的電池可以提供電力給微型設(shè)備，如機器人昆蟲、醫(yī)療植入物、以及一些在實驗室里發(fā)明很久了，但缺乏足夠小的電池供電的設(shè)備。

它能夠迅速打印不同設(shè)計的微小部件。這些三維鋰離子微電池的大小為1平方毫米，但具有商業(yè)電池的特性。 因為Lewis可以參照更大的電池結(jié)構(gòu)，而用100納米的精度的布局和構(gòu)建。在未來的幾年里，Lewis的研究小組正在研究技術(shù)的商業(yè)化和許可證，他們也可能會為愛好者產(chǎn)生低端的打印機。

2.哈佛科學(xué)家3d打印出帶微型血管的分層組織

哈佛大學(xué)生物工程研究所的科學(xué)家在2014年2月宣布他們使用多個打印頭剛和定制的“墨水”制造出復(fù)雜的、帶有完整微型血管的活性組織結(jié)構(gòu)。 這個方法是制造人體組織結(jié)構(gòu)的早期但非常重要的步驟，標(biāo)志著人們向測試藥物安全和有效性以及為受傷或患病的組織建立完整的功能性替代品邁出了重要的一步。

  哈佛Wyss研究所3D打印含血管組織研究團隊的負(fù)責(zé)人Don Ingber博士說：“組織工程師一直在等待著這樣的方法出現(xiàn)，在3維組織被植入前形成功能性血管網(wǎng)絡(luò)的能力，不僅能促使更厚的組織形成，而且它也可以通過外科手術(shù)將這種人造血管網(wǎng)絡(luò)與人體天然脈管相連接，實現(xiàn)體液順暢聯(lián)通，大大增加了植入組織的存活率。”

3.哈佛科學(xué)家用3D打印技術(shù)為心臟打補丁

2014年3月18日，哈佛研究人員在美國化學(xué)學(xué)會（ACS）第247次全國會議暨博覽會上公布了他們的成果。美國化學(xué)學(xué)會是世界上最大的科學(xué)協(xié)會，這項研究是由哈佛醫(yī)學(xué)院的Ali Khademhosseini、Nasim Annabi會同由Anthony Weiss領(lǐng)導(dǎo)的悉尼大學(xué)的一個小組共同完成的。

該研究小組一開始曾試圖使用天然蛋白質(zhì)形成類似明膠類的材料水凝膠，以模仿天然心臟的機械性能和生物性能。但據(jù)了解，該材料與人體組織并不相似。而且早期版本的水凝膠的會分解，而人類的心臟是有彈性的。

心臟組織的彈性對心肌在心臟跳動時的收縮起著關(guān)鍵作用。因此，研究人員使用更具彈性的人類彈性蛋白原開發(fā)了一系列新的凝膠。他們把彈性蛋白原暴露在紫外線光下，使它變成一種更加有彈性和韌性的物質(zhì)。

4.哈佛科學(xué)家開發(fā)出可3D打印的熱固性樹脂

當(dāng)前在3D打印中使用的塑料材料，主要是熱塑性塑料和UV固化樹脂這兩類。但如今哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)院的材料科學(xué)家與 Wyss生物啟發(fā)的工程研究所聯(lián)手開發(fā)出了一種可3D打印的環(huán)氧基熱固性樹脂材料。 這些環(huán)氧樹脂可3D打印成建筑結(jié)構(gòu)件用在輕質(zhì)建筑中。這些新的3D油墨是在環(huán)氧樹脂中加入了納米粘土片以增強粘度和一種二甲基甲基膦酸酯化合物。另外還向此混合物中添加了兩種填料：金剛砂和碳纖維。

5.哈佛教授研發(fā)全新3D打印頭可完美實現(xiàn)多材料融合

令兩股不同材料的液體流匯入一個單一的管道中，然后實現(xiàn)二者的分散性融合。這項研究的內(nèi)容是采用了主動混合技術(shù)的一種全新的3D打印頭。該打印頭內(nèi)部安裝有旋轉(zhuǎn)葉輪，葉輪會以恒定速率旋轉(zhuǎn)，將一系列復(fù)雜的材料液體很好地混合到一起，從而實現(xiàn)將柔性材料、硬質(zhì)材料、導(dǎo)電材料和電阻油墨等多種完全不同的材料融合到單一的3D打印物體中。如果最終取得成功，這項研究將會為3D打印可穿戴設(shè)備、柔性機器人和電子產(chǎn)品開創(chuàng)出全新的可能性。

6.哈佛開發(fā)出新型水凝膠4D打印結(jié)構(gòu) — 遇水即可自動變形

4D打印是一種革命性的新技術(shù)。這一概念準(zhǔn)確的說是一種自變形材料，只要受到某些因素的刺激（比如光、熱、電、磁和振動），就能在無需機電設(shè)備的情況下自動變形為預(yù)設(shè)的形狀。由于具有極大的應(yīng)用前景，這種技術(shù)正在以絲毫不遜于3D打印的高速度迅猛發(fā)展著。最近，在這方面處于全球領(lǐng)先地位的哈佛大學(xué)保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院就與威斯生物工程研究所聯(lián)合開發(fā)出了一種新型的微觀4D打印結(jié)構(gòu)。

這種新型4D結(jié)構(gòu)是研究者通過3D打印技術(shù)使用一種“水凝膠墨水”制成的。該墨水是從一種含有木纖維的特殊水凝膠復(fù)合材料中提煉萃取的。由于使用了專門的材料預(yù)測模型，該結(jié)構(gòu)會在遇水后逐漸膨脹、變硬，直至完全變形為預(yù)編程的形狀。

7.哈佛團隊3D打印出厚實血管網(wǎng)絡(luò)可促進細胞生長

由于生物3D打印在許多領(lǐng)域都具有極高的潛在應(yīng)用價值，所以目前，全世界的頂尖研究所和高效都在積極進行相關(guān)研究。哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院就與該校Wyss生物工程研究所聯(lián)手這方面取得了新的突破：他們發(fā)明了一種新的方法，能夠3D打印出厚度足夠的血管化網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)能讓液體、營養(yǎng)物質(zhì)和細胞生長因子順利進入，保證植入其中的細胞存活并促進它們生長，最終形成完成的功能性組織。

“這項突破將提高我們使用多材料生物3D打印平臺創(chuàng)建厚實人體組織的能力，令我們更接近創(chuàng)建出用于組織修復(fù)和再生的結(jié)構(gòu)?！毖芯恐饕?fù)責(zé)人，Wyss研究所的生物工程教授Jennifer A. Lewis表示。目前，大部分的生物3D打印技術(shù)都不能創(chuàng)建出能夠維持組織生長的大型厚實血管化網(wǎng)絡(luò)，不過現(xiàn)在，哈佛這個項目將有望消除這一痛點。

8.用黃金和活細胞3D打印了條魚，竟能在光刺激下自主運動

哈佛一支由Kit Kevin Parker教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊又在生物3D打印方面取得了突破 — 他們用小鼠的心肌細胞和3D打印的黃金骨骼做出了一條迷你黃貂魚，這樣一個小東西卻可以在光線刺激下自主運動，這主要是因為這條迷你黃貂魚外部包裹的2層彈性聚合物。其中含有20萬個小鼠的心肌細胞，它們都經(jīng)過了基因工程的改造，能在光線刺激下發(fā)生收縮和舒張，所以能帶動整體產(chǎn)生運動，

該技術(shù)除了能幫助科學(xué)家更好地理解黃貂魚的運動方式，這項成果將會為機器人、人工智能、生物工程等多個領(lǐng)域帶來好處，比如幫助他們更好地研究心肌細胞，從而開發(fā)出高性能的人工心臟，以及如何將生物組織與電子傳感器相互融合等。

9.哈佛大學(xué)領(lǐng)銜3D打印全球首只自驅(qū)動柔性章魚機器人

一支由美國哈佛大學(xué)領(lǐng)銜的研究團隊利用3D打印技術(shù)制作出的一個柔性自驅(qū)動章魚機器人。如果發(fā)展成熟，這類軟體機器人可執(zhí)行許多由硬質(zhì)材料制成的傳統(tǒng)機器人無法完成的任務(wù)。

這只3D打印章魚機器人是由硅橡膠制成的，擁有8條觸手，雖然高度不到2厘米，但卻是麻雀雖小五臟俱全，其內(nèi)部搭載了控制系統(tǒng)和燃料箱，能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的自主驅(qū)動。其運作方式大致如下：首先，作為燃料的過氧化氫溶液注入；然后它會與催化劑鉑發(fā)生反應(yīng)，生成水和氧氣；接著，氧氣會在控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)下被傳遞到特定區(qū)域，從而以氣動方式驅(qū)動章魚的觸手活動；而最后，這些氣體會通過排氣孔從機器人體內(nèi)釋放。