4D打印:百变生物材料

　　3D打印方兴未艾，来自麻省理工大学建筑学系的蒂比茨(SkylarTibbits)便在今年美国TED(技术、娱乐、设计)大会上提出了“4D打印”的概念。他将一根带有关节的3D打印复合材料长绳扔进水中，长绳便如变形金刚般神奇地自动变形为事先设计好的形状。为3D打印的物体添加“时间”纬度，让物体变得拥有“记忆功能”，从而在特定条件刺激下可以自动组装为预先设定的形态，这便被称为“4D打印”。人们希望这一“自动组装”的技术未来可以改变制造业。

　　“实现4D打印的关键在于运用带有记忆功能的材料，”深圳光华伟业实业有限公司董事长杨义浒说，“目前我们正与合作伙伴共同开发带有记忆功能的生物心脏支架。”在杨义浒看来，4D打印在医学领域中的应用更具实际价值。传统的心脏支架通常由记忆金属制成，在通过血管被置入设定的位置后，自动撑开承担扩张血管通道的使命。然而，金属支架的问题在于无法降解。也就是说，除非人为将支架取出，它将永远留在体内，由此带来的并发症和因长久停留对人体造成的不利影响可以想象。

　　“生物心脏支架的最大优势在于生物材料的生物相容性、可降解性和材料自身的记忆功能，而我们要做的是对材料精确控制，使之在一定的外部条件(比如温度、压力)下，恢复预设的形态。”杨义浒解释说。以生物心脏支架为例，当支架在身体外部时，它可能看起来是一个实心的细条，而进入身体后在体温的刺激下就变成了可以撑开的空心支架。一段时间以后，当涂抹了药物的支架完成扩张和疏通血管的使命后，便在血液中自动降解。“我们还可以通过不同种类生物材料的复合，来控制生物介入物的降解速度，”杨义浒强调，“它们是很好的临时性人体植入材料。”

　　成立于2002年的深圳光华伟业实业有限公司，是中国最早涉足生物材料领域的企业之一，目前其生物高分子聚合物材料和生物溶剂的年产能已经达到万吨级规模，年营业收入超过亿元。在用于 3D打印的可生物降解耗材聚乳酸(PLA)、环保生物溶剂乳酸酯等新兴生物材料应用领域，光华伟业处于全球领导者地位。“从整体规模来看，我们不是行业第一，但在一些高附加值的新兴市场，我们通过技术和产品创新建立了稳固的市场地位。”杨义浒颇为骄傲地说。

　　兴起于上世纪90年代末的生物材料产业目前仍处于发展早期。当人们意识到石油资源日益紧缺枯竭，便希望通过环保可再生的生物原料作为石油产品的替代物。然而，由于成本、技术、市场需求等各种因素的限制，这个产业的发展举步维艰。据统计，目前全球生物材料的总产能大约为60万到80万吨，其中真正能够替代石油的生物高分子聚合物材料的产能不超过20万吨，北美地区占全球产能的3/4以上。

　　“我们是一家民营企业，如果按照产业自然淘汰的方式发展，可能还没有开发出任何产品，就已经被市场淘汰了，”杨义浒说，“所以从一开始，我们就在寻找可以撬动这个产业的高附加值细分市场。”2002年，当杨义浒跨入生物材料领域创业时，原油价格还只有每桶20多美元，“今天的油价已经超过100美元，所以生物高分子材料在成本上已经具备了与工程塑料、功能性塑料竞争的条件，但与通用塑料相比，仍然缺乏成本竞争力。”

　　今年45岁的杨义浒是一位经历丰富、颇具学者思维的企业家。1988年从北京大学哲学系毕业后，他回到家乡湖北，在湖北省石油化工厅做了10年公务员。在此期间，他攻读工商管理硕士学位。完成学业后，希望将书本知识运用于实践的他主动请缨到企业做管理，仅用4年时间他就让一家处境艰难的国有农资企业起死回生，销售收入从起初的750万元增加到了过亿元。

　　不过，国有企业的管理经历让他对国企的产权制度产生了怀疑：“产权不明晰，犹如将一座高楼建在沙滩上，你建得越高，可能垮塌得越快。”杨义浒说。2001年，杨义浒南下深圳做起了风险投资。但一年多后，他对“不断寻找新项目、更注重短期投资”的风投行业失去了兴趣，“我更喜欢和擅长专注于做一件事情，”杨义浒说，“这件事情最好能结合我此前在化工行业的经验。”创业成了杨义浒的不二选择。

　　“生物高分子材料将引发高分子材料的革命。”杨义浒看中了生物材料领域。不过，当时他并不知道到底什么时候生物材料才能与石油制品抗衡，“行业专家告诉我，只有当原油价格涨到每桶70美元以上时，生物材料产业才可能被启动。”杨义浒决心做业界先锋，从生物材料的相关价值链做起。

　　于是，他开始做乳酸贸易。“乳酸是生物高分子材料聚乳酸(PLA)的基础原料，我们从贸易开始有多重好处：搭建团队和营销网络、进入生物材料价值链，以及带来企业生存所需要的现金流，以贸易带来的现金流支持研发。”杨义浒总结道。这一思路为光华伟业赢得了长久发展的时间和机会，公司成立第二年便实现盈亏平衡，第3年开始盈利。

　　在做贸易的同时，杨义浒开始研发聚乳酸的规模化生产。他想起在国有企业做管理期间曾经了解到武汉大学做聚乳酸的研究，于是给武汉大学当年负责项目研发的教授打电话，教授的回复是：“成果早已出来，锁在抽屉里已经两年了!”杨义浒随即将教授请到深圳。然而，当杨义浒投入30多公斤乳酸原料，结果却只生产出几克聚乳酸原料时，他有些哭笑不得。“教授证明了他的方法是对的，但对于规模化生产来说，这样的实验室结果几乎没有经济价值。”杨义浒笑着说。

　　非专业出身的杨义浒亲自参与到了研发。当他了解到按照教授的方法，制备聚乳酸失败的主要原因是由于压力达不到设定条件时，他的哲学转化思维帮他找到了解决问题的途径。“温度和压力是可以相互转化的，压力达不到时，可以调整温度来满足反应条件。”杨义浒解释说，于是他让研发人员通过调试温度来反复测试。“最终试验成功了，50公斤乳酸原料做出了近30公斤聚乳酸原料。”

　　掌握了规模化聚乳酸生产方法的杨义浒并没有急于投资建设生产基地。“我们当时连聚乳酸的市场在哪里都不知道，为了发现市场，我们用了‘钓鱼’的方法。”杨义浒幽默地说。他将聚乳酸产品放到了自己创办的生物材料电子商务平台上，时刻关注有哪些客户询盘。“用户的询盘千奇百怪，有医学的、餐饮的、纺织品的，其中相当多的应用完全出乎我们的想象。”但杨义浒并不准备进入与传统塑料竞争的低附加值市场。

　　2005年，杨义浒意外接到了来自英国一家石油公司的采购需求：他们希望开发一种聚乳酸配方，要求是在特定温度和压力下聚乳酸必须在规定的时间内降解为乳酸，但没有透露用途。根据客户要求，杨义浒开发的两种聚乳酸配方被选中。热衷探究的杨义浒在顺利做成生意后并没有就此结束，他找到中国石油专家共同探讨聚乳酸因何会与石油勘探发生联系，结果发现聚乳酸用于石油开采末期，不但可以帮助提高采油效率，而且解决了此前高分子材料填充暂堵带来的环境污染问题。找到答案后，杨义浒对中国的石油勘探企业做了主动营销，试验结果非常理想。如今，聚乳酸的解决方案已经被石油开采者用到了新疆、四川等地的油田。

　　几年的商业和技术积累为杨义浒规模化投产聚乳酸奠定了基础，但他仍然对聚乳酸市场的成熟度有所担忧，真正让杨义浒认准聚乳酸规模化投产时机的是3D打印。2007年，杨义浒接到网上聚乳酸线材的网上询盘。“当时并没有3D打印的说法，客户只是说需要聚乳酸的线材做‘焊接’(welding)，我们原本以为用它来‘焊接水管’，一番探究后发现原来它们被用作三维打印耗材。”

　　“3D打印是一个前景广阔的全新领域，而生物材料也是一个新兴产业，我当时感觉两个新产业的碰撞必然会诞生新的商业机会。”杨义浒说。2007年，杨义浒在湖北孝感投资建设聚乳酸的工业化生产线，第二年投产。

　　事实上，杨义浒的进入引起了全球3D打印耗材市场的不小震荡。“我们进入时，欧美市场的耗材价格大约在每公斤100美元，而我们给经销商的价格是每公斤 160元人民币，几年来整个市场一直跟随我们在降价，”杨义浒说，“如今，我们最早的一批海外客户已经从当年一次采购几十公斤，发展到现在一次采购几吨货物了。”

　　“要让生物材料具备竞争力，绝不能再单纯依赖消费者对其环保特性的眷顾，而要凭借生物材料自身独有的性能赢得市场。”杨义浒说。在 3D打印耗材的研发程中，杨义浒就发现聚乳酸之所以受到使用者的青睐得益于生物材料本身的两大特性：一是打印过程中，它不会像ABS塑料线材那样释放刺鼻的气味;二是变形率小，仅是ABS耗材的1/5到1/10。“变形率会直接影响物体打印的精度，用变形率大的耗材来打印大件物体时可能就会将平面打印成曲面了。”杨义浒解释说。

　　然而，聚乳酸作为3D打印耗材也有其天然的劣势。比如，打印出来的物体很脆，抗冲击能力不足;又如，聚乳酸的耐高温性较差，物体打印出来后在高温环境下就会直接变形等等。面对这些问题，杨义浒建立了专门的材料改性研发中心。“每当客户对材料提出新要求时，我们就会加以分析，看看是否这些要求代表了普遍的市场需求。”

　　几年来，杨义浒的团队在聚乳酸3D打印耗材的改性成果卓越。他们不但研发出10多种不同色彩的3D聚乳酸耗材，而且有效提升了耗材的抗冲击性能、耐热性能、防火性能等等。“最近我们还在研发可以导电的3D生物打印材料，因为客户提出要用它来打印电路板。”提到这些有趣的想法和创新，杨义浒兴奋不已。今年8月，湖北生产基地聚乳酸3D打印耗材的生产线已经由3条增加到了8条。“目前处于满负荷生产，供不应求的状态。”杨义浒称。

　　已经将生物高分子材料广泛应用于医学、纺织、石油、水处理、3打印领域的杨义浒还在不断开发新市场。杨义浒发现聚乳酸材料用于印刷时的色彩还原度极好，而中国又是各种卡片的生产大国，这两者的结合可能是另一个前景广阔的市场。他甚至把自己的名片也换作了 PLA材料制作。据杨义浒透露，他们目前已经与欧洲某著名制卡公司合作，开发基于生物高分子的卡基材料。可能不久的将来，我们生活中的照片相纸、户外广告都将由生物材料替代。

　　“我们必须保持开放式创新的心态，这样才能时刻把握市场脉搏，挖掘潜在高附加值的生物材料应用大市场。”杨义浒说。