Boks Kracht Berekenaar & Formule (Online & Gratis)
Heb je je ooit afgevraagd hoe je kunt zorgen voor een succesvol metaalstempelproject? In deze blogpost duiken we in de kritieke factoren die uw stempelproces kunnen maken of breken....
Stel je een wereld voor waarin we menselijke organen kunnen printen, niet alleen in 3D, maar met de mogelijkheid om te groeien en te evolueren zoals levend weefsel. Dat is de belofte van 5D printen. In deze gids onderzoeken we hoe deze baanbrekende technologie verder gaat dan traditioneel printen en zelfgroeiende materialen introduceert die een revolutie teweeg kunnen brengen in de geneeskunde en de productie. Als je verder leest, ontdek je de mogelijke gevolgen voor orgaantransplantaties, de ontwikkeling van levensechte entiteiten en de toekomst van kunstmatige intelligentie. Klaar om in de toekomst van fabricage te duiken?
In februari 2013 introduceerde de Amerikaan Skylar Tibbits het concept van 4D-printen en vijf maanden later stelde academicus Lu Bingheng van de Xi'an Jiaotong University het concept van 5D-printen voor.
In een artikel met de titel "Development Roadmap of 3D Printing Technology", gepubliceerd in de China Information Week op 29 juli 2013, was academicus Lu Bingheng de eerste die suggereerde dat 5D-printen de huidige vorm van celprinten is, waarbij de levende weefsels en organen die we nodig hebben door middel van printen kunnen worden gemaakt.
Hij beschreef het 5D-printen meerdere keren en legde uit dat naarmate de tijd verstrijkt, niet alleen de vorm verandert, maar ook de functionaliteit. Bij het printen van menselijke organen bijvoorbeeld, worden na het printen van een steiger, menselijke cellen erin opgenomen en, in de juiste omgeving, transformeren ze in verschillende weefsels om uiteindelijk een orgaan te worden.
Natuurlijk is 5D printen veel meer dan een eenvoudig concept: als 4D printen de dimensie van tijd toevoegt aan 3D printen, met behulp van slimme materialen voor zelfassemblage, dan introduceert 5D printen de mogelijkheid om zichzelf te laten groeien, wat niet alleen een extra dimensie toevoegt, maar uitbreidt naar meerdere dimensies.
Het is belangrijk om op te merken: Ten eerste, hoewel 5D printen nog steeds gebruik maakt van apparatuur voor 3D printtechnologie, zijn de materialen die geprint worden levende cellen en biologisch actieve factoren die vitaliteit bezitten. Deze biomaterialen moeten functionele veranderingen ondergaan tijdens hun verdere ontwikkeling; er moet dus vanaf het begin rekening worden gehouden met een volledig levenscyclusontwerp.
Ten tweede verwijst sommige huidige zogenaamde vrije 5D-productie naar vijfassige bewerking op het niveau van de productietechnologie, die nog steeds binnen het domein van 3D-productie valt en volledig verschilt van het concept van 5D-printen, dat een leidende rol in wetenschappelijke en technologische innovatie ontbeert.
Het is duidelijk dat 5D printen de traditionele fabricage, die wordt gekenmerkt door statische structuren en vaste prestaties, zal transformeren naar dynamische en veranderlijke functionaliteit, waarbij conventionele fabricageparadigma's worden doorbroken in de richting van structurele intelligentie en functionele genese.
Dit zal ontwrichtende veranderingen teweegbrengen in de productietechnologie en kunstmatige intelligentie, waarbij de productie van niet-levende entiteiten evolueert naar levensechte entiteiten die van vorm en eigenschappen kunnen veranderen.
Op de korte termijn zou deze technologie een revolutie teweeg kunnen brengen in orgaantransplantaties en gezondheidsdiensten voor mensen, en op de langere termijn heeft het de potentie om een nieuwe richting in te slaan voor productiewetenschap en biowetenschap, en een baanbrekende ontwikkeling in kunstmatige intelligentie te stimuleren.
De essentie van 5D printen ligt in het fabriceren van weefsels met levensfuncties, waardoor mensen functionele organen op maat kunnen maken. De technologie voor het maken van kunstmatige weefsels en organen is een belangrijk gebied dat wordt ondersteund door mondiale productiegrootmachten.
De "Outlook on Manufacturing Challenges for 2020" van de Verenigde Staten noemt bijvoorbeeld de fabricage van biologische weefsels als een van de belangrijkste richtingen voor hightech; het "Strategic Report on the Future of Manufacturing: 2015-2020" van de Europese Commissie suggereert een focus op de ontwikkeling van biomaterialen en kunstprotheses, waarbij biotechnologie wordt gepositioneerd als een van de vier belangrijkste disciplines die de toekomst van de fabricage ondersteunen;
De technologische routekaart van de Japanse Society of Mechanical Engineers noemt microbiomechanica ter bevordering van weefselregeneratie als een van de tien onderzoeksrichtingen. Zowel internationale als binnenlandse sectoren hebben gedeeltelijke klinische toepassingen en industrialisatie bereikt in de productie van gepersonaliseerde menselijke substituten en membraanachtige actieve weefsels.
De engineering van complexe actieve weefsels en organen stelt ons echter nog voor vele uitdagingen. Momenteel zijn er wereldwijd meer dan 300 instellingen en bedrijven die zich bezighouden met het onderzoek naar en de ontwikkeling van biologische 3D-technologie.
Zo heeft het Wake Forest Institute for Regenerative Medicine in de Verenigde Staten een reeks baanbrekende resultaten geboekt op het gebied van biologische 3D: zij waren de eersten die met succes stamcellen konden printen en de differentiatie van functioneel botweefsel konden opwekken; in samenwerking met het U.S. Army Institute of Regenerative Medicine ontwikkelden ze een 3D-huidprinter; ze hebben ook structuren 3D-geprint die lijken op "kunstnieren".
Internationaal zijn heterogene geïntegreerde vasculaire netwerkstructuren en heterogene geïntegreerde celprintapparaten ontwikkeld, die cellulaire heterogene structuren produceren zoals menselijke craniale botpleisters en oorkraakbeen.
In China zijn botten, tanden, oorkraakbeensteigers en vaatstructuren geprint, met voorlopige klinische toepassingen; er zijn ook glioblastoma stamcelmodellen en heterogene hersentumor vezelmodellen met meerdere cellen gefabriceerd. Gerenommeerde Chinese universiteiten, waaronder Tsinghua University, Xi'an Jiaotong University, Zhejiang University, South China University of Technology, Sichuan University en Jilin University, hebben diepgaand onderzoek gedaan op dit gebied.
De kloof tussen sommige binnenlandse biologische productiesectoren en het internationale geavanceerde niveau wordt kleiner, en enkele bereiken zelfs een leidende positie op wereldniveau.
5D printen vertegenwoordigt de convergentie van productietechnologie en biowetenschapstechnologie, waarbij doelbewust ontwerpen, fabriceren en reguleren centraal staan. De belangrijkste kwesties omvatten de volgende vijf aspecten.
Voortbouwend op het begrip van de zelfgroei eigenschappen van levende entiteiten, is het noodzakelijk om theorieën te ontwikkelen voor het structurele en functionele ontwerp van cellen en genen in de elementaire fase en gedurende het groeiproces.
De belangrijkste uitdagingen zijn: ten eerste, het doorbreken van de bestaande mechanische ontwerptheorieën die zich richten op structureel ontwerp en mechanische functie om ontwerpmethoden te ontwikkelen die structuur, actuatie en functie co-evolueren; ten tweede, het begrijpen van de wetten die de replicatie en zelfreplicatie van cellen en genen regelen om de samenstelling en structuur van cellen in de begintoestand te ontwerpen die volgens hun eigen regels groeien;
en ten derde, onderzoek doen naar materialen, fabricageprocessen en technische controlemethoden voor levende wezens die afbreekbaar zijn, voldoende technische sterkte bezitten en in bepaalde omgevingen geactiveerd en gekweekt kunnen worden.
Bij 5D printen dienen de levende eenheden als basis voor weefselgroei en -ontwikkeling, waarbij afzonderlijke cellen of genen de kern vormen van de latere functionele manifestatie. De micro- en nanoschaal accumulatie van deze levende eenheden vereist de studie van hun stapelprincipes en onderlinge relaties.
Door de intercellulaire relaties aan te passen, kunnen we de driedimensionale ruimtelijke structuur en functies controleren en zo weefselgroei en functionele regeneratie mogelijk maken. Het kenmerk van 5D printen is de functionele regeneratie van levende entiteiten, waarbij het behoud van hun levensvatbaarheid voorop staat.
Daarom is voor de productie van levende wezens een passende kweekomgeving nodig, inclusief de controle van voedingsstoffen, zuurstof, kooldioxide en andere atmosferische omstandigheden in het kweekmedium, om een synergie te creëren tussen de biologische omgeving en het drukproces.
Het is van vitaal belang om de mechanismen en procesinnovatie te bestuderen die ervoor zorgen dat verschillende materialen en structuren kunnen uitgroeien tot verschillende weefsels en functies in bepaalde omgevingen. De initiële structuren en functies in 5D printen moeten zich ontwikkelen tot uiteindelijke functionaliteiten in specifieke omgevingen.
Dit vereist inzicht in de relatie tussen functievorming en ontwerpfabricage, evenals in de wetten van functionele veranderingen in de loop van de tijd in multicellulaire systemen.
Dit omvat de relaties van cellulaire interconnectiviteit en interacties, die door hun effecten functies construeren voor de afgifte van energie (spiercellen) of de overdracht van informatie (neuronen), waardoor een technische basis wordt gelegd voor de ontwikkeling van multifunctionele apparaten.
Levende entiteiten zijn functionele organisaties die bestuurd kunnen worden door informatie, vergelijkbaar met de rol van neuronen in dieren en mensen. Bij 5D printen is het cruciaal om te onderzoeken welke materialen en structuren neurale functies kunnen vervangen, hoe elektrische of chemische signalen correct kunnen worden doorgegeven en hoe de vorming van verschillende functionaliteiten in weefsels kan worden aangestuurd.
Onderzoek naar neurale en hersenachtige weefsels zal helpen bij het opzetten van organisaties voor informatieoverdracht op basis van menselijke natuurlijke kenmerken, waardoor kunstmatige intelligentie met een hersenachtige natuurlijke organisatie verder wordt ontwikkeld.
Het huidige deep learning in kunstmatige intelligentie is gebaseerd op modelconjectie, gegevenstraining, continue leeraccumulatie en maakt zelfs gebruik van biologische genetische algoritmen om kunstmatige intelligentiefuncties te realiseren, net zoals vliegtuigen vogels hebben vervangen.
In de toekomst kunnen hersenachtige entiteiten 5D-printen gebruiken om chips te implanteren in nagemaakte of kunstmatige organen, leren van de willekeurige interconnectiviteit van menselijke hersenneuronen om krachtige biologische chips te maken, of genen gebruiken om een biologisch actief brein volledig na te maken.
Het verzamelen van informatie, de besturing van de besluitvorming en de bediening tussen het kunstmatige brein, de oorspronkelijke menselijke organen en verschillende kunstmatige organen zijn gebieden die nog verder moeten worden onderzocht en geïnnoveerd.
Bij de implementatie van 5D printtechnologie is het essentieel om de principes van ontwerp en productie te begrijpen. Als men zich richt op specifieke organen of biologische apparaten, moet men zich bezighouden met het systematisch ontwerpen van structurele en functionele groei.
Dit houdt in dat we moeten begrijpen hoe we cellulaire of genetische combinaties bij 5D-printen kunnen reguleren, hoe we procesgeïnduceerde schade aan het levende organisme tijdens het printen kunnen beheersen en hoe we de functies van de gevormde organen of apparaten kunnen beheren, evenals interventies en begeleiding bij celgroei.
Het is noodzakelijk om de relatie tussen 5D printen en functionele vorming te begrijpen, om de functies van multifunctionele apparaten of weefsels te evalueren en te meten, en om een onderzoekssysteem op te zetten dat het ontwerpen van levenseenheden, schadevrij printen en het creëren van functies integreert. Dit biedt de technische ondersteuning die nodig is voor de ontwikkeling van organen en apparaten met biologische eigenschappen.
Door 5D-printing zal de productie verschuiven van materialen als hout, metaal en silicium naar biologische materialen en zal er een overgang plaatsvinden van onveranderlijke structuren naar apparaten die in staat zijn tot functionele regeneratie.
Om dit te bereiken is het cruciaal om transformatieve ontwerp- en productietechnieken te ontwikkelen die geleid worden door functionaliteit en om de productietechnologie te bevorderen door interdisciplinaire integratie. Het State Key Laboratory of Mechanical Manufacturing Systems Engineering van de Xi'an Jiaotong University heeft veelbelovende verkenningen uitgevoerd in de ontwikkelingsrichting van 5D printen.
Myocardinfarct is een ernstige ziekte die een aanzienlijke bedreiging vormt voor de menselijke gezondheid. De bestaande hartpatches hebben geen elektrofysiologische eigenschappen en kunnen geen elektrische signaalgeleiding tot stand brengen met het myocard van de gastheer, waardoor ze geen synchrone contractie tot stand brengen en het functionele herstel van het geïnfarcteerde myocard ernstig belemmeren.
Daarom is onderzoek nodig naar de integratie van geleidingssensoren in traditionele hartweefsels. Hierbij wordt gebruik gemaakt van multimaterial micro/nano 3D-printtechnologie voor de geïntegreerde en controleerbare productie van geleidingssensorische hartsteigers, wat nieuwe mogelijkheden biedt voor het onderzoeken van de pathogenese en behandeling van myocardinfarct.
Dit onderzoek zal de biofabricage van traditionele steigerfabricage naar de ontwikkeling van slimme geleidende detectiesteigers bevorderen. Door de micro/nanovezelstructuur van de natuurlijke extracellulaire hartmatrix te simuleren, werd onderzoek gedaan naar micro/sub-microschaal samengestelde geleidende vezel multimateriaal elektrostatische printtechnieken.
Met behulp van smeltelektrostatisch printen werden poly(caprolacton) (PCL) microvezels met een diameter van 9,5 μm±1,5 μm gemaakt; met behulp van elektrostatisch printen in oplossing werden geleidende vezels van poly(3,4-ethyleendioxythiofeen)/poly(styreenesulfonaat)-polyethyleenoxide (PEDOT:PSS-PEO) met een diameter van 470nm±76nm gemaakt.
De PEDOT:PSS-PEO sub-microschaal geleidende vezels vertoonden een uitstekende geleidbaarheid, met een geleidbaarheid van 1,72×103S/m. Door gebruik te maken van een laag-voor-laag accumulatiemethode werden meerlaagse composietsteigers gemaakt, bestaande uit meerlaagse microvezelsteigers met verschillende oriëntaties en micro-/sub-microschaal geleidende steigers, zoals getoond in Figuur 8-17.
De meerlaagse composietsteiger vertoonde gunstige mechanische eigenschappen in de vezelrichting, met een elasticiteitsmodulus van ongeveer 13,0MPa. Metingen van de geleidbaarheid van de steiger toonden aan dat de toevoeging van PEDOT:PSS-PEO geleidende vezels op microschaal de geleidbaarheid van de steiger aanzienlijk verbeterde.
Bovendien behielden de micro-/sub-microschaal geleidende steigers een stabiele geleidbaarheid in een waterige omgeving, waarmee de basis werd gelegd voor latere celexperimenten.
Primaire cardiomyocyten, de meest cruciale cellen in hartweefsel, leveren de kracht voor het samentrekken van het hart en de bloedstroom.
De invloed van de hierboven genoemde meerlaagse composietsteiger op de georiënteerde groei en het synchroon kloppen van primaire cardiomyocyten van ratten werd bestudeerd. Na acht dagen co-cultivatie werd waargenomen dat primaire cardiomyocyten in staat waren om langs PCL-vezels op micrometerschaal te groeien en complexe, georiënteerde cellulaire netwerken te vormen op submicrometer PEDOT:PSS-PEO geleidende vezels.
De cellen brachten ook aanzienlijke hoeveelheden van de cardiale specifieke eiwitten α-actinine en CX43 tot expressie. Analyse van de fluorescentiekwantificering toonde aan dat de hoeveelheid van deze eiwitten uitgedrukt op submicrometer PEDOT:PSS-PEO geleidende vezels significant hoger was in vergelijking met micrometer PCL-vezels.
Hieruit blijkt dat de submicrometer geleidende vezels van PEDOT:PSS-PEO de geleidbaarheid van de steiger verbeterden en de intercellulaire elektrische signaaloverdracht, eiwitexpressie en het kloppend vermogen van cardiomyocyten verbeterden. Bovendien bevorderde het gelaagde, georiënteerde ontwerp van de meerlaagse geleidende steiger het synchroon kloppen van primaire cardiomyocyten.
Neurowetenschap is vandaag de dag een van de belangrijkste richtingen in het wetenschappelijk onderzoek en een hoogtepunt in de wetenschappelijke competitie tussen naties. In 2013 kondigde president Obama van de Verenigde Staten het Brain Initiative aan, dat al snel werd gevolgd door de Europese Unie en Japan met de lancering van respectievelijk The Human Brain Project en het Brain/Minds Project.
In China's "13e vijfjarenplan" staan hersenwetenschap en hersenonderzoek op de vierde plaats van 100 grote projecten. Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie zijn hersenziekten zoals Parkinson, Alzheimer, autisme en depressie een grotere maatschappelijke last geworden dan hart- en vaatziekten en kanker. Door een beperkt begrip van hun pathogenese ontbreekt het in bijna alle gevallen aan effectieve behandelingen.
In de hersenwetenschap en het onderzoek naar hersenziekten is het gebrek aan donoren van menselijk hersenweefsel een belangrijk knelpunt geworden. Dierlijk hersenweefsel kan de eigenschappen van het menselijk brein niet volledig weergeven; daarom is het bouwen van in vitro modellen die het natuurlijke menselijke hersenweefsel goed nabootsen een onvermijdelijke vereiste voor de vooruitgang van de neurowetenschappen.
De functionaliteit van neuronen in hersenweefsel en hun signalering zijn fundamenteel voor de cognitieve functie. De rangschikking van deze cellen, hun typen en dichtheden binnen de corticale lagen onderbouwen de functionele zones van de hersenschors. De overgang van het begrijpen van de hersenen naar het creëren ervan geeft de richting aan voor het ontwikkelen van hersenachtige computers.
In vitro morfologische en functionele constructie van hersenweefsel is afhankelijk van biomimetisch ontwerp en precieze productie van neurontypes, bouwstructuren en neuroncombinaties die overeenkomen met functionele doelgebieden. Dit is een toekomstgerichte richting die biologische hersenachtige functie 5D-printing zou moeten nastreven.
Bij de ontwikkeling van apparatuur voor in vitro constructie van hersenachtig weefsel is een geïntegreerd systeem voor het printen en kweken van cellen ontworpen en geassembleerd. Het kan gelijktijdig verschillende cellen en matrixcomponenten printen, met een printkopsnelheid van 100 tot 1000 ml/min en een X-Y nauwkeurigheid van de werktafelbeweging van niet meer dan 20 µm.
Het kan weefsellagen van 100 tot 300 µm dik printen, waarbij de temperatuur van de printkamer 37°C±1°C blijft. De zuurstof- en kooldioxideconcentraties zijn instelbaar, met concentratieafwijkingen binnen ±1%, waardoor een uitrustingsplatform ontstaat voor het in vitro printen van meercellige hersenachtige weefsels, zoals getoond in Figuur 8-18.
Op basis van de bestaande printapparatuur zijn de parameters van het printproces geoptimaliseerd om te voldoen aan de vereisten voor het printen van neuroncellen, waardoor het mogelijk is om driedimensionale levensvatbare neurale weefsels te maken die primaire neuronale rattencellen inkapselen met een levensvatbaarheid van meer dan 94% na het printen.
Natuurlijk hersenweefsel bestaat voornamelijk uit twee soorten neurale cellen: neuronen en neuroglia. Met behulp van het bovengenoemde platform hebben we modellen gemaakt van puur neuronaal weefsel, gemengd neuron- en gliacelweefsel en complexe weefselstructuren met neuronen en gliacellen naast elkaar in een vooraf gedefinieerde driedimensionale ruimtelijke ordening.
Deze opstelling maakte de co-cultuur mogelijk van actieve hersenachtige weefselneuronen en gliale cellen in vitro onder verschillende ruimtelijke structurele relaties. Onderzoek toont aan dat neuronen, geplaatst naast maar gelaagd van gliale cellen, morfologieën en biochemische expressies kunnen vertonen die meer lijken op natuurlijk hersenweefsel in vergelijking met neuronen die alleen in vitro gekweekt zijn.
Dit model biedt een nauwkeurigere weergave en onderzoeksbasis voor het naast elkaar bestaan van neurogliale cellen en neuronen vanuit een driedimensionaal perspectief en legt de basis voor latere inspanningen op het gebied van hersenwetenschap en pathologische farmacologische studies met behulp van in vitro modellen.
Bestaande machines worden beperkt door een lage energieomzettingsefficiëntie en flexibiliteit. Multidirectionele flexibele bio geïnspireerde robots, aangedreven door levend spierweefsel of cellen, vertegenwoordigen de toekomst van bio-symbiotische machines met een hoge energieomzettingsefficiëntie, intrinsieke veiligheid en beweeglijkheid. Hiervoor is onderzoek nodig naar multicellulaire/multimateriaal composiet fabricagemethoden voor bio-geïnspireerde robots.
Dit onderzoek is gericht op het bieden van een herhaalbare, aanpasbare snelle productiebenadering gebaseerd op de functionele vereisten van levensechte robots die biologische en mechanische systemen integreren.
Voor het ontwerp van de biologische entiteit ontwikkelden we een negatieve Poisson's ratio steiger microstructuur voor het kweken en differentiëren van spiercellen. Dit ontwerp verbetert de mate van spierceldifferentiatie en de contractiekracht van het spierweefsel en biedt tegelijkertijd de nodige bescherming en voedingsstoffen om de biologische entiteit op lange termijn actief te houden.
Voor de productie van de biologische entiteit werd 3D-printen gebruikt om bio-onderdelen te maken. Experimenteel onderzoek naar de groei en differentiatie van skeletspiercellen toonde aan dat deze cellen kunnen differentiëren in volgroeide spiervezels, waarmee de basis werd gelegd voor de constructie van functionele biologische entiteiten. Verder bouwden we een kruipende biomechanische hybride robot geïnspireerd op de zeeslak.
③ Om de functionaliteit van de biologische entiteit te reguleren, werd een multi-veld koppelingsstimulatieplatform opgezet. Er werden studies uitgevoerd naar de reguleringsmechanismen van bionische omgevingsverrijkingsstimuli (zoals elektrische en mechanische stimuli) op de aandrijfprestaties van de biologische entiteit.
Met betrekking tot de rijprestaties van bio-geïnspireerde robots werd een kinematisch en dynamisch model gebaseerd op een tweede-orde veer-demper systeem ontwikkeld voor de robot. Met behulp van een kinematisch en dynamisch experimenteel platform werden de rijprestaties van de robot getest. De resultaten toonden aan dat de robot onder een blokgolfimpulsstimulatie met een frequentie van 50 Hz en een spanning van 1 V met een snelheid van 2 mm/s vooruit kon kruipen.
Het bovengenoemde onderzoek verkent de mogelijke toekomstige richtingen voor robots met levende lichamen.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
ES 
FR 
RU 
DE 
PT 