From additive manufacturing to 3D/4D printing 3 Breakthrough Innovations: Programmable Material, 4D Printing and Bio-printing

473 Pages·2018·26.387 MB·English

by  André, Jean-Claude

From Additive Manufacturing to 3D/4D Printing 3

Series Editor
Jean-Charles Pomerol
From Additive Manufacturing

to 3D/4D Printing 3

Breakthrough Innovations: Programmable
Material, 4D Printing and Bio-printing

Jean-Claude André
First published 2018 in Great Britain and the United States by ISTE Ltd and John Wiley & Sons, Inc.
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British Library Cataloguing-in-Publication Data
A CIP record for this book is available from the British Library
ISBN 978-1-78630-232-8
Contents
Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
Foreword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxix
Part 1. Programmable Smart/Intelligent
Matter and 4D Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Introduction to Part 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Chapter 1. Programmable Matter or Smart Matter,
Stimulated Organization and 4D Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2. Natural (spontaneous) self-organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.1. Nonlinearities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.2. Achieving the desired form? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3. “Smart” matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.1. Active polymers: photochemical muscles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.2. Physical alterations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.3.3. Distortion of metal parts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1.3.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.4. A transition to 4D printing: swimming robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
vi From Additive Manufacturing to 3D/4D Printing 3
1.5. 4D Printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.5.1. Automation and robots. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.5.2. Origami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
1.5.3. Octobot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.5.4. Massive objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.7. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Part 2. Live “Smart” Matter and (Bio-printing) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Introduction to Part 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Chapter 2. Bio-printing Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.2. Tissue complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.3. Bio-printing technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
2.3.1. Cell preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
2.3.2. Generic bio-printing technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
2.3.3. Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
2.3.4. Process–material couplings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
2.3.5. Subsequent cell growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
2.4. Comment: 4D bio-printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
2.5. Other applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
2.5.1. Biological applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
2.5.2. Is it possible to feed ourselves thanks to bio-printing? . . . . . . . . . . . . 144
2.5.3. Bioluminescence and electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
2.5.4. Bio-printed Bio-bots or “soft robots”
produced by additive manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
2.6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
2.7. Appendix: 3D printing for biological applications . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
2.8. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Chapter 3. Some Examples of 3D Bio-printed Tissues . . . . . . . . . . . . . 169
3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
3.2. Work on cartilage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
3.2.1. General remarks on cartilage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
3.2.2. Cartilaginous defects and treatments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
3.2.3. Cartilage bio-printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.2.4. Primary results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Contents vii
3.3. Skin bio-printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
3.3.1. General remarks on skin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
3.3.2. Bio-printing skin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
3.3.3. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
3.4. Bone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
3.4.1. General remarks on the composition of bone . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
3.4.2. Bone bio-printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
3.4.3. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
3.5. Bio-printing and cancer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
3.5.1. Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
3.5.2. Conclusion and perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
3.6. General Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
3.7. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Chapter 4. Ethical Issues and Responsible Parties . . . . . . . . . . . . . . . 217
4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
4.2. Reflection on the acceptance of bio-printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
4.2.1. Raw survey data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
4.2.2. General discussion: whom to trust? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
4.2.3. Preliminary conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
4.3. Ethics and bio-printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
4.3.1. Framing elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
4.3.2. Return on the concept of ethics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
4.3.3. What can be foreseen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
4.3.4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
4.4. Governing bio-printing research: mastering convergence . . . . . . . . . . . . . 279
4.4.1. Return to 3D printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
4.4.2. Promises of NBIC convergence and bio-printing . . . . . . . . . . . . . . . 283
4.4.3. Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
4.4.4. Comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
4.4.5. Epistemological questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
4.5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
4.6. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Chapter 5. Questions of Epistemology and Modeling . . . . . . . . . . . . . . 315
5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
5.2. The PE approach (seen by a possible
divergent, somewhat of an HE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
5.3. The HE approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
viii From Additive Manufacturing to 3D/4D Printing 3
5.4. Complexity and bio-printing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
5.4.1. Complexity? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
5.4.2. Initial reflection for action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
5.5. Return to complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
5.5.1. Complexity and system approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
5.6. Bases of reflection on modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
5.6.1. Shooting or Monte-Carlo methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
5.6.2. Analogy with David Bohm’s works? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
5.6.3. Cellular differentiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
5.6.4. Scale change(s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
5.6.5. Questions for realistic modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
5.6.6. Provision of an operatory reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
5.6.7. Organizational methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
5.7. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
5.8. Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
Postface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419