微重力条件下金属3D打印和空间医学研究

在即将开始的补给任务中，国际空间站（ISS）将再次接收3D打印实验品，这表明3D打印技术在太空探索中发挥着越来越重要的作用。2024年1月29日，诺斯罗普-格鲁曼公司将为NASA执行第20次商业补给服务，届时在佛罗里达州卡纳维拉尔角空间站搭载猎鹰9号火箭发射升空。

这次任务将交付两个3D打印项目：3D软骨细胞培养实验和欧洲航天局（ESA）的金属3D打印机。这些项目凸显了3D打印技术在微重力环境下的创新应用，以及彻底改变空间科学和探索的潜力。

ESA的3D打印任务
在这次任务中，一个备受期待的项目是ESA的金属3D打印机，代表了人类在太空自主半导体制造方面迈出了重要一步。此外，这台打印机还将研究在微重力环境下打印的金属形状与在地球上生产有何不同。相关研究人员从这项实验中获得的洞察力，将对于为太空任务（包括未来可能在月球或火星上建造的栖息地）开发新的制造技术至关重要。

ESA的金属3D打印机项目与由宇航员Andreas Mogensen领导的Huginn任务密切相关，他还将监督其他欧洲科学实验的运行。该任务以北欧神话中象征思想的乌鸦Huginn命名，反映了Mogensen从国际空间站收集和传递科学知识的目标。任务胸章的显著特点是乌鸦与丹麦的剪影。

Mogense将担任太空探索技术公司（SpaceX）Crew Dragon飞船的飞行员，成为首位担任这一职务的欧洲宇航员。在国际空间站期间，他将监督20多项欧洲科学实验，包括监测金属物体的3D打印。金属三维打印机在微重力的独特条件下成功运行并取得成果，对于推进未来太空探索和居住的制造技术至关重要。该技术演示器将彻底改变我们在太空中制造和维修工具和部件的方式。

用于国际空间站的金属3D打印机
 

太空新篇章
这台打印机将对在太空中膨胀和收缩的金属形状与在地球上膨胀和收缩的金属形状进行比较。该项目由欧空局牵头并涉及多个工业和学术合作伙伴，包括空中客车公司、意大利航空航天公司Highftech Engineering、法国金属3D打印领先企业AddUp和克兰菲尔德大学。每个合作伙伴都在打印机的开发和实施过程中发挥了关键作用。

空中客车团队与ESA团队负责管理该项目，并负责整合打印机的组件和电源，确保其与太空环境的兼容性。克兰菲尔德大学负责能源和材料输送机制，包括激光和不锈钢丝。Highftech 工程公司负责制造机器的外壳和集成流体管理系统。与此同时，AddUp公司在打印机内部结构和机制的设计中发挥了重要作用，包括控制打印机的PLC（可编程逻辑控制器）以及与地面控制中心的通信接口。这项计划于2024年1月被派往国际空间站，有关其未来的计划已经开始实施。

开辟新天地
第二个引人注目的项目是3D软骨细胞培养，名为“隔室软骨组织结构”。这是一项探索如何在微重力环境下保持软骨健康的生物实验。这项研究对长期执行任务的宇航员至关重要，因为微重力会导致软骨退化。这项研究意义深远，有可能为治疗太空和地球上的软骨损伤提供新方法。这一突破性项目是在康涅狄格大学生物医学工程教授陈玉鹏的指导下开发的，陈教授在推动治疗应用组织研究方面发挥了重要作用。

该项目采用创新技术培育软骨，即关节中的柔韧组织。它采用了一种特殊的多室组织工程结构，这种结构就像一个生长软骨的小型实验室。这种系统旨在创造一种与软骨生长和保持健康所需的自然条件非常相似的环境。陈教授的团队与NASA签订合同，旨在利用国际空间站的微重力环境制造生物材料，从而彻底改变地球上关节炎、癌症和神经系统疾病等疾病的治疗方法。

空间医学
多室组织工程结构的核心有两大功能。首先是为软骨细胞的生长提供稳定的基础。这一基础至关重要，因为它能模拟人体的自然环境，让细胞正常生长。第二个功能是向软骨细胞输送必需的核糖核酸（RNA）分子。这些RNA分子在维持软骨健康方面发挥着关键作用。

陈教授和他的团队成员

它们在太空中至关重要，因为太空中没有重力，对这些细胞的平均生长和健康构成了挑战。由陈教授和他的团队领导的国际空间站实验将侧重于制造新型生物材料，如Janus基底纳米材料（JBN），这种材料在软骨等组织的再生中起着关键作用。

展望未来，陈教授的团队计划将其前景广阔的研究扩展到国际空间站之外，力求取得更多突破性进展。他们与航空航天公司Axiom Space合作，旨在探索太空中先进的生物制造工艺。这一合作可能会带来在微重力环境下生产生物材料的更先进技术。

Axiom公司在太空飞行操作方面的专业技术，为长期任务打开大门，并有可能在Axiom公司的商业空间站上执行任务。该空间站的目标是在2025年底发射第一个舱，争取在2020年代末全面投入运行。这些未来的努力旨在开创太空制造生物医学产品商业化的先河，从而有可能彻底改变现有的医疗方法。

这些项目为何如此重要
在即将到来的任务中加入这些3D打印实验，延续了过去几年中日益增长的趋势。在微重力环境中进行3D打印有很多优势，包括按需生产必要的工具和组件，以及减少从地球运送大量货物的需要。一些3D打印实验已被送往国际空间站，如Redwire公司的生物制造设施（BFF）或3D打印零重力实验，这是第一台专为微重力设计的3D打印机，于2014年被送往国际空间站。

随着人类将目光投向月球和火星的深空任务，在太空中制造和维护重要部件和生物材料的能力将变得至关重要。即将进行的补给任务不仅仅是科学实验，它也是向未来迈出的一步，未来的太空旅行将更安全，太空医疗将更先进，太空制造也可能成为现实。这些实验还凸显了国际空间站作为开拓性研究中心的作用，为NASA的阿尔忒弥斯号（Artemis）登月任务及其他任务铺平了道路。