4D打印:百變生物材料

　　3D打印方興未艾，來自麻省理工大學建筑學系的蒂比茨(SkylarTibbits)便在今年美國TED(技術、娛樂、設計)大會上提出了“4D打印”的概念。他將一根帶有關節的3D打印復合材料長繩扔進水中，長繩便如變形金剛般神奇地自動變形為事先設計好的形狀。為3D打印的物體添加“時間”緯度，讓物體變得擁有“記憶功能”，從而在特定條件刺激下可以自動組裝為預先設定的形態，這便被稱為“4D打印”。人們希望這一“自動組裝”的技術未來可以改變制造業。

　　“實現4D打印的關鍵在于運用帶有記憶功能的材料，”深圳光華偉業實業有限公司董事長楊義滸說，“目前我們正與合作伙伴共同開發帶有記憶功能的生物心臟支架。”在楊義滸看來，4D打印在醫學領域中的應用更具實際價值。傳統的心臟支架通常由記憶金屬制成，在通過血管被置入設定的位置后，自動撐開承擔擴張血管通道的使命。然而，金屬支架的問題在于無法降解。也就是說，除非人為將支架取出，它將永遠留在體內，由此帶來的并發癥和因長久停留對人體造成的不利影響可以想象。

　　“生物心臟支架的最大優勢在于生物材料的生物相容性、可降解性和材料自身的記憶功能，而我們要做的是對材料精確控制，使之在一定的外部條件(比如溫度、壓力)下，恢復預設的形態。”楊義滸解釋說。以生物心臟支架為例，當支架在身體外部時，它可能看起來是一個實心的細條，而進入身體后在體溫的刺激下就變成了可以撐開的空心支架。一段時間以后，當涂抹了藥物的支架完成擴張和疏通血管的使命后，便在血液中自動降解。“我們還可以通過不同種類生物材料的復合，來控制生物介入物的降解速度，”楊義滸強調，“它們是很好的臨時性人體植入材料。”

　　成立于2002年的深圳光華偉業實業有限公司，是中國最早涉足生物材料領域的企業之一，目前其生物高分子聚合物材料和生物溶劑的年產能已經達到萬噸級規模，年營業收入超過億元。在用于 3D打印的可生物降解耗材聚乳酸(PLA)、環保生物溶劑乳酸酯等新興生物材料應用領域，光華偉業處于全球領導者地位。“從整體規模來看，我們不是行業第一，但在一些高附加值的新興市場，我們通過技術和產品創新建立了穩固的市場地位。”楊義滸頗為驕傲地說。

　　興起于上世紀90年代末的生物材料產業目前仍處于發展早期。當人們意識到石油資源日益緊缺枯竭，便希望通過環保可再生的生物原料作為石油產品的替代物。然而，由于成本、技術、市場需求等各種因素的限制，這個產業的發展舉步維艱。據統計，目前全球生物材料的總產能大約為60萬到80萬噸，其中真正能夠替代石油的生物高分子聚合物材料的產能不超過20萬噸，北美地區占全球產能的3/4以上。

　　“我們是一家民營企業，如果按照產業自然淘汰的方式發展，可能還沒有開發出任何產品，就已經被市場淘汰了，”楊義滸說，“所以從一開始，我們就在尋找可以撬動這個產業的高附加值細分市場。”2002年，當楊義滸跨入生物材料領域創業時，原油價格還只有每桶20多美元，“今天的油價已經超過100美元，所以生物高分子材料在成本上已經具備了與工程塑料、功能性塑料競爭的條件，但與通用塑料相比，仍然缺乏成本競爭力。”

　　今年45歲的楊義滸是一位經歷豐富、頗具學者思維的企業家。1988年從北京大學哲學系畢業后，他回到家鄉湖北，在湖北省石油化工廳做了10年公務員。在此期間，他攻讀工商管理碩士學位。完成學業后，希望將書本知識運用于實踐的他主動請纓到企業做管理，僅用4年時間他就讓一家處境艱難的國有農資企業起死回生，銷售收入從起初的750萬元增加到了過億元。

　　不過，國有企業的管理經歷讓他對國企的產權制度產生了懷疑：“產權不明晰，猶如將一座高樓建在沙灘上，你建得越高，可能垮塌得越快。”楊義滸說。2001年，楊義滸南下深圳做起了風險投資。但一年多后，他對“不斷尋找新項目、更注重短期投資”的風投行業失去了興趣，“我更喜歡和擅長專注于做一件事情，”楊義滸說，“這件事情最好能結合我此前在化工行業的經驗。”創業成了楊義滸的不二選擇。

　　“生物高分子材料將引發高分子材料的革命。”楊義滸看中了生物材料領域。不過，當時他并不知道到底什么時候生物材料才能與石油制品抗衡，“行業專家告訴我，只有當原油價格漲到每桶70美元以上時，生物材料產業才可能被啟動。”楊義滸決心做業界先鋒，從生物材料的相關價值鏈做起。

　　于是，他開始做乳酸貿易。“乳酸是生物高分子材料聚乳酸(PLA)的基礎原料，我們從貿易開始有多重好處：搭建團隊和營銷網絡、進入生物材料價值鏈，以及帶來企業生存所需要的現金流，以貿易帶來的現金流支持研發。”楊義滸總結道。這一思路為光華偉業贏得了長久發展的時間和機會，公司成立第二年便實現盈虧平衡，第3年開始盈利。

　　在做貿易的同時，楊義滸開始研發聚乳酸的規模化生產。他想起在國有企業做管理期間曾經了解到武漢大學做聚乳酸的研究，于是給武漢大學當年負責項目研發的教授打電話，教授的回復是：“成果早已出來，鎖在抽屜里已經兩年了!”楊義滸隨即將教授請到深圳。然而，當楊義滸投入30多公斤乳酸原料，結果卻只生產出幾克聚乳酸原料時，他有些哭笑不得。“教授證明了他的方法是對的，但對于規模化生產來說，這樣的實驗室結果幾乎沒有經濟價值。”楊義滸笑著說。

　　非專業出身的楊義滸親自參與到了研發。當他了解到按照教授的方法，制備聚乳酸失敗的主要原因是由于壓力達不到設定條件時，他的哲學轉化思維幫他找到了解決問題的途徑。“溫度和壓力是可以相互轉化的，壓力達不到時，可以調整溫度來滿足反應條件。”楊義滸解釋說，于是他讓研發人員通過調試溫度來反復測試。“最終試驗成功了，50公斤乳酸原料做出了近30公斤聚乳酸原料。”

　　掌握了規模化聚乳酸生產方法的楊義滸并沒有急于投資建設生產基地。“我們當時連聚乳酸的市場在哪里都不知道，為了發現市場，我們用了‘釣魚’的方法。”楊義滸幽默地說。他將聚乳酸產品放到了自己創辦的生物材料電子商務平臺上，時刻關注有哪些客戶詢盤。“用戶的詢盤千奇百怪，有醫學的、餐飲的、紡織品的，其中相當多的應用完全出乎我們的想象。”但楊義滸并不準備進入與傳統塑料競爭的低附加值市場。

　　2005年，楊義滸意外接到了來自英國一家石油公司的采購需求：他們希望開發一種聚乳酸配方，要求是在特定溫度和壓力下聚乳酸必須在規定的時間內降解為乳酸，但沒有透露用途。根據客戶要求，楊義滸開發的兩種聚乳酸配方被選中。熱衷探究的楊義滸在順利做成生意后并沒有就此結束，他找到中國石油專家共同探討聚乳酸因何會與石油勘探發生聯系，結果發現聚乳酸用于石油開采末期，不但可以幫助提高采油效率，而且解決了此前高分子材料填充暫堵帶來的環境污染問題。找到答案后，楊義滸對中國的石油勘探企業做了主動營銷，試驗結果非常理想。如今，聚乳酸的解決方案已經被石油開采者用到了新疆、四川等地的油田。

　　幾年的商業和技術積累為楊義滸規模化投產聚乳酸奠定了基礎，但他仍然對聚乳酸市場的成熟度有所擔憂，真正讓楊義滸認準聚乳酸規模化投產時機的是3D打印。2007年，楊義滸接到網上聚乳酸線材的網上詢盤。“當時并沒有3D打印的說法，客戶只是說需要聚乳酸的線材做‘焊接’(welding)，我們原本以為用它來‘焊接水管’，一番探究后發現原來它們被用作三維打印耗材。”

　　“3D打印是一個前景廣闊的全新領域，而生物材料也是一個新興產業，我當時感覺兩個新產業的碰撞必然會誕生新的商業機會。”楊義滸說。2007年，楊義滸在湖北孝感投資建設聚乳酸的工業化生產線，第二年投產。

　　事實上，楊義滸的進入引起了全球3D打印耗材市場的不小震蕩。“我們進入時，歐美市場的耗材價格大約在每公斤100美元，而我們給經銷商的價格是每公斤 160元人民幣，幾年來整個市場一直跟隨我們在降價，”楊義滸說，“如今，我們最早的一批海外客戶已經從當年一次采購幾十公斤，發展到現在一次采購幾噸貨物了。”

　　“要讓生物材料具備競爭力，絕不能再單純依賴消費者對其環保特性的眷顧，而要憑借生物材料自身獨有的性能贏得市場。”楊義滸說。在 3D打印耗材的研發程中，楊義滸就發現聚乳酸之所以受到使用者的青睞得益于生物材料本身的兩大特性：一是打印過程中，它不會像ABS塑料線材那樣釋放刺鼻的氣味;二是變形率小，僅是ABS耗材的1/5到1/10。“變形率會直接影響物體打印的精度，用變形率大的耗材來打印大件物體時可能就會將平面打印成曲面了。”楊義滸解釋說。

　　然而，聚乳酸作為3D打印耗材也有其天然的劣勢。比如，打印出來的物體很脆，抗沖擊能力不足;又如，聚乳酸的耐高溫性較差，物體打印出來后在高溫環境下就會直接變形等等。面對這些問題，楊義滸建立了專門的材料改性研發中心。“每當客戶對材料提出新要求時，我們就會加以分析，看看是否這些要求代表了普遍的市場需求。”

　　幾年來，楊義滸的團隊在聚乳酸3D打印耗材的改性成果卓越。他們不但研發出10多種不同色彩的3D聚乳酸耗材，而且有效提升了耗材的抗沖擊性能、耐熱性能、防火性能等等。“最近我們還在研發可以導電的3D生物打印材料，因為客戶提出要用它來打印電路板。”提到這些有趣的想法和創新，楊義滸興奮不已。今年8月，湖北生產基地聚乳酸3D打印耗材的生產線已經由3條增加到了8條。“目前處于滿負荷生產，供不應求的狀態。”楊義滸稱。

　　已經將生物高分子材料廣泛應用于醫學、紡織、石油、水處理、3打印領域的楊義滸還在不斷開發新市場。楊義滸發現聚乳酸材料用于印刷時的色彩還原度極好，而中國又是各種卡片的生產大國，這兩者的結合可能是另一個前景廣闊的市場。他甚至把自己的名片也換作了 PLA材料制作。據楊義滸透露，他們目前已經與歐洲某著名制卡公司合作，開發基于生物高分子的卡基材料。可能不久的將來，我們生活中的照片相紙、戶外廣告都將由生物材料替代。

　　“我們必須保持開放式創新的心態，這樣才能時刻把握市場脈搏，挖掘潛在高附加值的生物材料應用大市場。”楊義滸說。