3D打印环保混凝土的研究进展及发展趋势

探讨了将各类固体废弃物作为骨料、胶凝材料和纤维掺入混凝土制成可再生、可循环利用的绿色环保建筑材料的研究现状及进展,并对其制成的3D打印环保混凝土的可打印性、流变特性、可挤出性、可建造性、力学各向异性及耐久性作出评估和论证。

3D打印多孔钛合金桩的粘接强度及粘接破坏模式和表面、粘接界面特征

目的 观察3D打印多孔钛合金桩的粘接强度及粘接破坏模式和表面、粘接界面特征,以期利用多孔结构的机械嵌合来提高金属桩核的粘接强度。方法 实验设计4组,A组选取10根预成纤维桩,扫描并获取三维数据,B、C、D组均使用A组获得的数据分别进行3D打印实心钛合金桩、3D打印多孔钛合金桩、氧化锆桩的设计与制作,将各组桩包埋、切片,使用万能力学实验机将桩从桩核树脂中推出,记录各组桩的粘接强度和粘接破坏模式,并用扫描电镜观察桩的表面、粘接界面特征。结果 A、B、C、D组粘接强度分别为(229.11±80.15)、(389.29±58.39)、(572.35±128.08)、(137.54±26.81)MPa,组间两两比较,P均<0.05。A、B、C、D组粘接界面破坏的例数分别为7、2、1、8例,粘接内部破坏的例数分别为0、1、3、0例,混合粘接破坏的例数分别为3、7、6、2例,组间两两比较,P均<0.05。A组扫描电镜下可见纤维桩表面大量排列紧密的纤维束,纤维桩与桩核树脂结合紧密;B组可见3D打印实心钛合金桩的表面有大量点状颗粒,点状颗粒间可见树脂嵌入,钛合金实心桩与桩核树脂结合紧密;C组可见3D打印多孔钛合金桩表面大量不规则空隙,桩的表面也存在大量点状颗粒,在颗粒间以及空隙间可见大量树脂嵌入,极大的增加了桩与桩核树脂的机械嵌合作用;D组可见氧化锆桩和表面相对平整,桩与桩核树脂结合紧密,机械嵌合明显少于前面三组。结论 与预成纤维桩、氧化锆桩和3D打印实心钛合金桩相比,使用3D打印技术制作的多孔钛合金桩,粘接强度有明显的提升,粘接破坏模式主要为混合粘接破坏,桩表面有大量不规则空隙及点状颗粒,在颗粒间及空隙间可见大量树脂嵌入,极大增加了桩与桩核树脂的机械嵌合作用。

废旧棉用于直接油墨书写3D打印面料及服装

为实现废旧棉织物的绿色和高值化利用,将废旧棉织物经漂白、活化后再溶解在LiCl/DMAc溶剂中,加入羟乙基纤维素以调节油墨的可打印性。对处理前后的废旧棉织物的外观形貌及内部结构分析,发现处理后废旧棉织物有助于进一步的溶解。对油墨的流变性能研究,发现油墨表现出剪切变薄的行为。通过直接油墨书写3D打印技术成功制备出纤维素面料,改善打印面料的舒适性。讨论3D打印纤维素面料的形貌结构、机械强度和舒适性等。结果表明:与3D打印PLA面料相比,3D打印纤维素面料在柔韧性和润湿性方面都有所改善,其机械强度能满足服用要求,各项性能更接近于棉织物。最后,使用纤维素油墨打印不同花型的面料和服装,扩大纺织材料在3D打印领域的应用。这种新颖方法将废旧棉织物得到再利用,也为3D打印柔性面料和服装带来了广阔的前景。

3D打印导板技术联合多次去旋转治疗重度僵硬性脊柱侧凸

背景:近年来,随着3D打印技术的发展,使得外科手术走向个性化、精准化。3D打印导板技术可实现术前规划、术中导航,使得外科手术更加精准。临床中重度僵硬性脊柱侧弯矫形术中仍面临置钉准确性不高导致螺钉松动甚至引起神经并发症的问题,现有关于3D打印导板技术指导重度僵硬性脊柱侧弯术中置钉的研究不多。目的:评价3D打印导向模板技术联合后路多次去旋转治疗重度僵硬性脊柱侧凸的临床效果。方法:回顾性分析3D打印导向模板椎弓根螺钉置入后联合施行后路多次转棒去旋转技术治疗重度脊柱侧凸6例患者的临床资料,男3例,女3例,手术时年龄15-23岁,平均(18.17±3.49)岁。分析术后2周和术后18个月时脊柱侧弯相关参数的变化,进行统计学分析。结果与结论:(1)手术时间280-540 min,平均(340.83±102.20)min,术中出血量1000-4000 mL,平均(2000.00±1073.70)mL,固定节段9-14个椎体,平均(11.83±1.72)个椎体,矫形过程中未出现螺钉松动;(2)所有患者均获得随访,术后2周全脊柱正侧位片显示冠状位主弯的cobb角、冠状面C_(7)铅垂线和S1正中线的距离、矢状面C_(7)铅垂线和S1后缘的距离、顶椎偏移、胸椎后凸角、腰椎前凸角均获得明显矫正,主弯的cobb角平均矫正率62.22%,术后18个月随访各参数较术后2周无明显变化,矫形效果满意,无感染和内固定断裂;(3)围术期切口延迟愈合1例,经过换药处理瘢痕愈合,未出现神经并发症;(4)结果表明3D打印导向模板结合后路多次转棒去旋转技术治疗重度僵硬性脊柱侧凸畸形安全有效,矫形效果满意。

3D打印生物墨水在组织修复与再生医学中的应用

背景:通过选用合适的生物墨水,3D打印技术可用以制造人体组织和器官的代替物,并在人体内发挥作用。近些年来3D打印技术发展迅速,在再生医学中有着巨大的应用潜力。目的:介绍3D打印用生物墨水的类型,并综述生物墨水的分类、应用、优缺点及未来愿景。方法:以“3D printing,Biological ink,Tissue engineering,hydrogel,Synthetic material,Cytoactive factor,3D打印、生物墨水、组织工程”为检索词,运用计算机检索2000-2022年以来发表在PubMed、CNKI数据库中的相关文献,最终纳入83篇进行综述。结果与结论:在过去的几十年里,生物3D打印技术发展迅速,在组织工程和生物医学等各个领域都受到了极大的关注。相对于传统生物支架制造方法在功能性及结构方面受到的限制,3D打印可以更好地模拟生物组织复杂的结构,并且具有合适的力学、流变学和生物学特性。生物墨水是3D打印中必不可少的一部分,通过生物材料制备的生物墨水,经打印后产生的生物支架在组织修复和再生医学等方面有着巨大的科研潜力及临床意义,其材料的研究本身也越来越受到专家们的重视。3D打印生物墨水的材料各种各样,有天然材料也有合成材料,还有一些不需要任何额外生物材料的细胞聚集体,并且各种材料在实际运用中的功效各不相同。未来会有越来越多的生物墨水被研制用于组织工程,需要通过充足的实验模拟及设备测试来对生物墨水的可打印性进行分析,从而满足实际的医用需求。

3D打印共面模板在局部进展型胰腺癌125I粒子植入治疗中的疗效观察

局部进展型胰腺癌(locally advanced pancreatic cancer,LAPC)指肿瘤局部广泛浸润,伴有严重的血管侵犯而无远处转移的胰腺癌,占全部胰腺癌的30%~50%[1],病人平均生存期6~12个月,难以手术切除[2],需要先采用转化治疗,当其成为可切除肿瘤时再行手术切除,但转化成功率一般较低。顽固性腰腹痛常常是LAPC病人就诊的首要且最痛苦的症状,严重影响病人的生活。目前临床主要的治疗方法为药物、神经毁损等,但只能暂时缓解症状而不针对肿瘤本身。

明胶/氧化纳米纤维素高弹性模量高孔隙皮肤支架的3D打印工艺

背景:在采用主动修复治疗手段应对皮肤创伤时,需要使用组织工程技术生成新的组织来代替坏死组织,皮肤支架在创伤修复领域具有良好的应用前景。皮肤支架需要呈现具有一定力学强度的三维多孔结构,以满足细胞增殖分裂的需求,而目前使用的明胶基生物材料力学强度弱,无法达到皮肤支架的使用要求。目的:针对明胶/氧化纳米纤维素复合材料制备组织工程皮肤支架时使用的3D打印工艺进行研究,重点研究不同工艺参数下制备皮肤支架的孔隙率与其力学强度之间的关系。方法:从葎草中提取10%浓度的氧化纳米纤维素晶须,再与5%的明胶复合得到明胶/氧化纳米纤维素复合材料,检测明胶与明胶/氧化纳米纤维素复合材料的弹性模量。以明胶/氧化纳米纤维素复合材料为基材,采用3D打印挤压成型方法制备皮肤支架,通过对材料进行力学性能测试和流变特性测试确定挤压成型工艺参数(填充间隙1.5-2.5 mm,0.1 mm均布;气压160-200 kPa),并以此制备具有三维多孔结构的皮肤支架。对皮肤支架进行了抗压性能的测试并与有限元分析结果相对比,论证了支架打印时的填充间隙与支架孔隙率及力学强度之间的关系。结果与结论:①通过实验得出,加入10%浓度的氧化纳米纤维素晶须使5%明胶的弹性模量度提升了8.84倍;在气压160 kPa下挤出成型可以得到1 mm直径的丝状凝胶,此时填充间隙从1.5 mm增大到2.5 mm会使支架的理论孔隙率从33%上升到60%,但抗压强度从230000 Pa降低到95000 Pa;②结果显示,使用2 mm填充间隙制备得到了理论孔隙率为50%、弹性模量160000 Pa的皮肤支架,该支架具有清晰的三维多孔结构。

3D打印技术在腓骨头上入路治疗复杂胫骨平台后外侧骨折中的临床应用

目的探讨3D打印技术在腓骨头上入路治疗复杂胫骨平台后外侧骨折中的临床应用价值。方法回顾性分析67例接受腓骨头上入路治疗的复杂胫骨平台后外侧骨折患者的临床资料,根据术前是否采用3D打印模拟手术将患者分为3D打印组35例和常规组32例。比较2组患者的手术时间、术中出血量、术中透视次数,观察术后切口感染、腘血管损伤、腓总神经损伤等并发症发生情况。随访骨折愈合时间,术后6个月评估Rasmussen评分,末次随访时评估美国特种外科医院(HSS)膝关节功能评分。结果67例患者随访时间为14~22个月;2组各有1例患者发生术后切口感染,均未发生腘血管损伤、腓总神经损伤、下肢深静脉血栓等并发症;3D打印组患者手术时间、术中出血量、术中透视次数均短于或少于常规组,差异有统计学意义(P<0.05);2组患者骨折愈合时间、术后6个月Rasmussen评分、末次随访时HSS评分比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论3D打印技术应用于复杂胫骨平台后外侧骨折患者的腓骨头上入路治疗中,可以优化手术方案,缩短手术时间,减少术中出血量和透视次数。

3D打印混凝土永久模板叠合柱的抗压性能数值模拟研究

为深入研究3D打印混凝土永久模板叠合柱的抗压性能,基于3D打印混凝土永久模板叠合柱及同尺寸整体现浇对照柱试验建立构件数值模型,模拟分析其轴压荷载-位移响应及失效形态。针对界面粘结性能、现浇混凝土抗压强度、打印模板厚度、荷载偏心距等参数开展3D打印混凝土永久模板叠合柱的抗压性能计算分析,研究表明:叠合柱轴压极限承载力随着薄弱界面剪切强度、刚度及现浇混凝土抗压强度的增大而增大。由于打印材料的抗压强度高于现浇混凝土,叠合柱抗压极限承载力提升率与打印模板厚度呈近似线性关系,叠合圆柱的抗压极限承载力随着荷载偏心距的增大而降低,呈近似线性负相关。此外,偏心距对叠合圆柱极限承载力下降幅度的影响大于现浇圆柱。

2023年我国3D打印设备出口352.5万台

2024年3月20日,据南极熊3D打印网消息,查询海关总署的数据显示,2023年中国3D打印设备出口352.5万台(不含零部件),比2022年劲增88%,3D打印机出口金额61.5亿元(不含零部件),增长68.5%。近年来中国3D打印机出口数量总体上呈现快速增长的态势,虽然2022年比2021年下降了1/4,但2023年重回高增长轨道,再创历史新高。

基于正逆向设计结合的3D打印实践教学

以装配体零件为载体,以正逆向设计结合为思想,以项目式教学为依托的3D打印实践教学项目,引导学生自主创新,注重产品质量。实践过程中部分零件采用正向设计并打印制作成型,其余零件则采用逆向设计并打印制作成型,组装获得完整装配体。教学实施效果表明,实践环节中的产品废品率显著下降,同时学生的课堂参与度显著提升。基于正逆向设计结合的教学方法突破传统的3D打印实践教学思路,锻炼了学生项目管理、自主创新、主动思考解决问题等综合能力,贯彻落实了学生质量观意识的培养。

翻转课堂联合3D打印技术在临床肋骨骨折教学中的应用

目的探讨翻转课堂联合3D打印技术在临床肋骨骨折教学中的应用效果。方法将2021年6月至2022年6月武汉大学人民医院胸外科住培学员共78名分为试验组(39名)和对照组(39名)。试验组采用翻转课堂联合3D打印技术模式授课,对照组采用传统教学模式。运用理论考核和问卷调查方式评估教学效果。结果试验组理论考核成绩(84.62±10.97)分高于对照组(76.92±11.28)分,且试验组相较于对照组能够明显提高学习效果、临床思维能力和教学满意程度,差异有统计学意义(P<0.05),但在提高学习效率方面2组差异无统计学意义(P>0.05)。结论翻转课堂联合3D打印技术在肋骨骨折的临床教学中的应用有助于增加学生的知识掌握水平,提高学习效果,增加临床思维能力,具有一定的教学价值。

直链淀粉含量对淀粉基凝胶3D打印适应性的影响

该研究探讨了直链淀粉含量对淀粉基凝胶的三维打印适应性的影响。通过对淀粉凝胶的物理性质的探究,揭示了淀粉凝胶的打印性能、流变学性能和晶体结构之间的关系。结果表明,所有淀粉基凝胶均表现出剪切稀化和类固体特性。直链淀粉含量对淀粉基凝胶的硬度、弹性、黏附性和回复性有显著影响。直链淀粉与支链淀粉比例为2∶8的淀粉基凝胶打印效果最好,其硬度、黏附性和回复性分别为(43.5±0.6)g、(138.0±3.1)g·s和(0.102±0.003),而且其网络结构规则,热稳定性好,淀粉结晶有序。利用计算流体动力学对三维打印过程进行模拟,发现在支链淀粉中加入直链淀粉会增加凝胶的黏度,从而降低其打印速度,因此直链淀粉与支链淀粉比例为2∶8的淀粉基凝胶适于进行3D打印。该研究表明,可以通过调节凝胶中直链淀粉的比例提高淀粉基凝胶的三维打印适应性。

3D打印技术在口腔正畸领域的应用进展

3D打印是通过计算机辅助技术模拟设计3D结构,并用各种材料逐层堆积成真实的物体,是一种增材制造技术[1]。与传统失蜡铸造法和计算机减材制造法相比,3D打印具有工艺优势[2],能够缩短供应链,降低成本,通过产生更少的废物实现可持续的过程,但在表面质量、机械性能和尺寸精度等方面,3D打印技术有待提高。在口腔正畸领域,数字化3D打印技术(简称3D打印技术)已经得到广泛运用,3D打印技术继承错颌畸形的矫治理念,摒弃传统诊断、设计、制作方法,利用计算机辅助诊断、个性化设计、数字化成型技术,根据口腔内复杂情况快速制作个性化矫治器,能够提高患者舒适度以及治疗效率,同时推动正畸治疗向个性化与精准化转变,为正畸治疗带来了极大的便利[3]。本文将综述3D打印技术在口腔正畸领域中的运用。

3D打印结合叙事医学在骨科住培医师教学中的应用研究

目的:研究3D打印结合叙事医学教学方法在骨科住培医师教学中的应用价值。方法:选取骨科住培医师80人,随机分为试验组及对照组,比较两组学员的理论能力、实践能力、人文关怀能力及教学满意度。结果:试验组的实践能力、人文关怀能力及教学满意度均显著高于对照组(P<0.05)。结论:应用3D打印结合叙事医学的教学方法具有良好的教学效果。

分布式3D打印服务的实时多任务调度研究

针对分布式3D打印机(3DPs)在工业物联网(IIoT)中共享、协作、生产全球化的定制产品过程中,3D打印任务(3DPTs)在分布式3D打印机上分配工作量不平衡,以及提交的每个模型的定制属性和实时性等问题,文章提出了用于IIoT中个性化3D打印的实时绿色感知多任务调度架构,给出了一种稳健的在线分配算法,使得每个3D打印任务能够精确地满足用户定义属性,并且平衡了分布式3D打印机之间工作负荷,同时开发了一种基于优先级的自适应实时多任务调度(ARMPS)算法,实时调度每一个3D打印任务,满足3D打印任务的实时性以及动态性要求。在高负载下进行仿真实验,经性能评估测试,表明所提出的算法具有稳健性,调度架构具有鲁棒性和可扩展性。

3D打印导航板在脊柱外科中的研究进展

现代临床医疗理念趋向精准化、微创化发展。脊柱外科手术因其特殊的解剖位置,毗邻重要血管、神经,更加需要临床操作的安全性和准确性。3D打印技术以3D图像数据为基本数据,通过专用3D打印计算机软件设计、规划所需3D数字模型,导入打印机后可应用多种材料进行实物打印。3D打印技术是数字信息技术、数字工业技术、生物化学材料等前沿科技结合体,广泛应用于航天材料、工业制造、生物研究以及临床医疗等领域,在临床医疗应用中涉及数字解剖模型构建、器官实物打印、人工假体置换、导航板设计等方面。3D打印导航板技术可以根据临床需要预先规划并设计术中导航通道,具有精准导航、安全定位等特点,在脊柱外科中有巨大发展前景。本文就3D打印导航板在脊柱外科中的研究进展做一综述。

3D打印技术在骨科创伤疾病教学中的应用进展

创伤骨科解剖结构复杂,受伤机制及骨折类型多变,一直是医学教育的重点和难点。但是,传统的教学方法多借助课件和尸体标本等辅助讲授,医学生难以直观观察、认识和理解,教学效果欠佳。随着计算机和数字化虚拟技术的飞速发展,3D打印技术在创伤骨科疾病中已发展成一种重要的教学辅助手段。该技术用于创伤骨科临床教学的应用价值主要表现在:三维重建复杂解剖结构、判断骨折分型和并发症、推测骨折受伤机制、制定手术计划、提高学习热情和信心,从而不断提高教学质量。文章将对近年来3D打印技术在骨盆骨折、髋臼骨折和关节周围骨折教学应用中的研究进展进行分析与归纳,阐述应用现状和所存在的问题,以不断提升骨科创伤疾病的临床教学质量。

淀粉基凝胶在食品3D打印中的研究进展

食品3D打印技术是一种在食品领域新兴的、由计算机辅助软件控制的智能化快速成型技术。因其具有高效、便捷、个性化定制的特点,在食品加工领域中有较大的发展潜力。淀粉作为一种可再生的天然高分子,具有无毒害、经济环保、资源丰富的优点,是3D打印优质的食品级油墨。近年来,随着食品3D打印技术的不断发展,如何提高天然食用凝胶的可打印性成为研究热点。为更好地了解淀粉基凝胶3D打印的研究进展,该文从3D打印技术原理、淀粉基原料3D打印特性、影响淀粉基凝胶3D打印效果的因素、淀粉基凝胶3D打印的应用现状以及面临的挑战等方面进行综述,以期为淀粉基凝胶在食品3D打印中的发展和应用提供参考。

3D打印连续纤维复合材料工艺、结构优化研究进展

连续纤维增强复合材料由于优异的比强度、比刚度、可设计性和轻量化特质,日益受到航空航天等高端装备制造领域的青睐.3D打印技术的发展改变了连续纤维复合材料结构的生产制造流程,使复杂结构的自由成型成为可能,为先进结构材料提供了巨大的设计空间.为充分发挥先进材料性能优势和3D打印成型灵活性,研究人员分别从材料性能和结构设计出发,探索与3D打印连续纤维复合材料相适应的设计制造一体化解决方案,实现产品创新设计和性能提升.本文系统性地回顾了面向连续纤维复合材料性能分析、工艺改进和结构优化的研究工作,结合研究实践对连续纤维复合材料的结构多尺度优化方法进行总结分析,并对未来先进材料结构设计实时化、功能化、智能化的发展趋势进行探讨和展望.