增材制造新一代超级医疗器械

虽然增材制造已经存在了30多年，但直到最近5-10年，它才开始被真正视为一种制造技术。在此之前，绝大多数的使用都是在原型领域，允许设计师快速可视化他们的概念。在某些方面，这已经在生物领域得到了复制，在生物领域，增材制造最常用于制造不会直接用于改善结果或作为治疗的物体。

在生物打印中，增材制造经常令人兴奋，对新设计和形状进行了大量的探索，但成功往往是运气问题，找到一个好的设计，我们缺乏对结构-功能关系的微妙理解，这将使我们能够创造出好的设计。

在未来，随着这些技术转化为具有高吞吐量的可扩展制造系统，我们将能够在微观和宏观尺度上定制设备

最近，我们开始问这样一个问题:如何用增材制造来解开这些结构-功能关系，以及如何用它来制造我们能够在生物水平上控制的设备。这与商业上可获得的高分辨率系统的发展以及采用允许空间和时间分布组成的方法相吻合。

与此同时，人们一直在努力创建具有生物指导性特性(即导致细胞行为发生定向或设计变化的特性)的材料库。例如，这种材料可能会减少或增加微生物附着在表面的可能性，或者它们可能会引起哺乳动物细胞的表型变化。这些进展最近被用于探索我们如何控制细胞行为，击败抗菌素耐药性和感染，促进伤口愈合。

与此同时，计算设计的重大进步——包括人工智能和设计优化——使我们有机会快速确定最佳的材料和设备设计。

这方面的两个例子是在不同长度尺度上运行的开发，但最终可以结合在一起创建高度优化的、个性化的、多生物指导性的复合设备。

基于喷墨打印的3D打印是一种按需下降的方法，它允许在大范围内沉积多材料。喷墨打印生物指导性材料的发展使我们能够设计和创建抵抗细菌附着的设备(即不依赖于导致抗菌素耐药性的抗菌素洗脱)。现在可以从材料库中进行选择，每种材料都具有不同的模量，以创建具有空间变化顺应性的多材料设备，同时还保留抗生素膜的特性。这是可能的，因为我们可以使用遗传算法来决定在何处以及何时放置具有不同属性的材料，从而允许我们生成，例如，手指义肢，在需要的地方弯曲，但在与骨头接触的地方是僵硬的。

其次，高分辨率技术，如双光子聚合或投影微立体光刻，使我们能够在纳米微尺寸范围内绘制复杂形状的表面图案。以类似于模拟“鲨鱼皮肤”以减少细菌附着的方式，我们可以用复杂的结构填充表面，这些结构是为驱动特定的细胞反应而量身定制的。我们知道微生物和哺乳动物细胞都对拓扑、化学和硬度有反应。增材制造使我们能够独立或“正交”地针对每一种特性——我们可以选择独立地改变形状或材料——我们甚至可以在一个表面或一个物体上改变这些特性的空间。这给了我们相当大的权力来控制细胞的行为，特别是如果我们知道结构-功能关系，告诉我们一个细胞将如何改变这些品质。一旦我们知道了这一点，我们将能够设计表面和设备，使我们能够阻止伤口部位的感染或加速骨折后的骨骼生长。

在未来，随着这些技术的转化和可扩展的制造系统能够实现高吞吐量，我们将能够在微观和宏观尺度上定制设备，还可以“拨号”属性来精确指定我们希望生物学如何响应，使我们有机会创造出可添加制造的超级医疗设备。

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