三維打印機(jī)開啟新領(lǐng)域

當(dāng)前，與三維打印技術(shù)有關(guān)的報道不時見諸媒體，據(jù)報道，人們已經(jīng)使用三維打印機(jī)打印出了飛機(jī)模型、口味與日常食用肉相接近的肉類產(chǎn)品等。與此同時，科學(xué)界的業(yè)內(nèi)人士也開始關(guān)注三維打印機(jī)，并利用其打印出了從化石復(fù)制品到生物分子再到跳動的心臟細(xì)胞等研究對象和材料。有科學(xué)家認(rèn)為，三維打印技術(shù)的橫空出世改變了制造業(yè)的游戲規(guī)則。英國《自然》雜志網(wǎng)站在報道中表示：三維打印機(jī)正潤物細(xì)無聲地開啟新的科研領(lǐng)域。

打印出化石模型

早在2007年，瑞士蘇黎世大學(xué)的研究員克里斯托弗·佐里科夫就見證了尼安德特人在現(xiàn)代社會的首次誕生。當(dāng)時，在他位于瑞士蘇黎世大學(xué)的人類學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，他見到了一個嬰兒尼安德特人的骨架從一臺復(fù)印機(jī)大小的機(jī)器中緩緩“現(xiàn)身”，所有這一切只不過經(jīng)歷了20個小時的噪聲、呼呼作響的馬達(dá)傳遞以及塑料切割。

盡管一切看起來很簡單，似乎手到擒來，但這個現(xiàn)代奇跡其實(shí)已經(jīng)經(jīng)歷了一個冗長的醞釀階段：佐里科夫團(tuán)隊(duì)花費(fèi)幾年時間從尼安德特人嬰兒那兒找到合適的骨頭，使用計(jì)算機(jī)斷層掃面設(shè)備對其進(jìn)行了分析并使用數(shù)字化方法在計(jì)算機(jī)上將這些骨頭在計(jì)算機(jī)屏幕上縫合在一起。不過，制作模型的最后一步的確比較簡單，佐里科夫只是按下實(shí)驗(yàn)室耗資5萬美元的三維打印機(jī)的“打印鍵”就做到了這一點(diǎn)。

作為使用三維打印機(jī)開展科學(xué)研究的先鋒人物，早在20年前，佐里科夫就開始使用一臺三維打印機(jī)模型進(jìn)行研究，與現(xiàn)在的設(shè)備相比，這種模型售價昂貴而且會用到有毒的材料和溶劑，諸多限制讓大多數(shù)科學(xué)家望而卻步。但世易時移，現(xiàn)在更新、更便宜的三維打印機(jī)慢慢進(jìn)入主流。就像一臺噴墨打印機(jī)能在紙上逐行噴灑墨水一樣，很多現(xiàn)代的三維打印設(shè)備能將材料（通常是塑料）一層一層噴灑在表面上，制造出一個物體的形狀。其他由一桶液體或者固體粉末狀塑料組成的熔融固體層則常常使用紫外線或紅外線來將其噴射在表面上。另外，有時候在臨時支架（這些支架后來會溶解或被鏟除）的幫助下，三維打印機(jī)可以打印出其他任何復(fù)雜形狀的物體。

專注于跟蹤分析三維打印市場的沃勒斯聯(lián)合公司的首席顧問兼總裁特里·沃勒斯表示，盡管工業(yè)系統(tǒng)使用的整套三維打印設(shè)備售價7.3萬美元，但現(xiàn)在，一套個人用的打印設(shè)備的售價還不足500美元。沃勒斯指出，2011年，全球大約銷售出3萬套打印機(jī)，學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)購買了其中的三分之一，平均售價為1.5萬到3萬美元。

那些先行使用三維打印設(shè)備的科學(xué)家們目前正使用這項(xiàng)技術(shù)研究復(fù)雜的分子、制造實(shí)驗(yàn)室工具、共享罕見的人造制品、甚至打印出像心臟一樣跳動的心臟組織。在古生物學(xué)和人類學(xué)的會議上，越來越多人都拿著他們心儀的化石或骨頭的打印產(chǎn)品。佐里科夫表示：“任何把自己看做人類學(xué)家的科學(xué)家都需要擁有計(jì)算機(jī)圖像和三維打印機(jī)，否則，就像遺傳學(xué)家沒有遺傳序列圖無法開展工作一樣，不能算是名副其實(shí)的專業(yè)人士?！?/p>

目前，這種打印產(chǎn)品正為我們提供一些使用更傳統(tǒng)的方法所無法獲得的信息。例如，尼安德特人的嬰兒化石相當(dāng)罕見，因此，佐里科夫不想冒險使用常用的砂型鑄造法來對其脆弱的樣本進(jìn)行復(fù)制。然而，使用三維打印機(jī)打印出的產(chǎn)品，佐里科夫或許有望探究與尼安德特人的出生有關(guān)的情況。除了這幅嬰兒骨架，他還打印出了一個成年女性尼安德特人的骨盆。

此前，有不少科學(xué)家猜測尼安德特人寬寬的臀部使得他們勞作起來比現(xiàn)代人更加容易，但是，借用打印出來的產(chǎn)品，佐里科夫的實(shí)驗(yàn)證明，尼安德特人嬰兒的頭骨要比現(xiàn)代人更大，這就抵消了臀部寬這一優(yōu)勢。就像現(xiàn)代人一樣，尼安德特人的頭部最大，或許生來就是如此，這就讓他們能盡快發(fā)育。

在佐里科夫的研究中，他將打印出來的模型和計(jì)算機(jī)圖片上的模型前后交換并進(jìn)行了仔細(xì)分析。計(jì)算機(jī)模型非常容易計(jì)算體積或?qū)⒐穷^碎片拼接在一起，研究人員能將其放在合適的地方，沒有重力會導(dǎo)致它們下落。但是，他說，如果使用這些虛擬的模型，“你會失去觸感，甚至?xí)拇笮∫矔]有什么概念?！彼a(bǔ)充道，這種虛擬的物理學(xué)模型更適合查看碎片如何各就各位，放置在什么地方合適。

分子的游樂場

長期以來，化學(xué)家和分子生物學(xué)家們都使用模型以更好地理解分子結(jié)構(gòu)以及X射線和晶體照相術(shù)獲得的數(shù)據(jù)。DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者、1962年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎獲得者、美國科學(xué)家詹姆斯·沃森和英國科學(xué)家弗朗西斯·克里克就在球和棍子結(jié)構(gòu)的幫助下，最終發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這被普遍看作分子生物學(xué)時代的開端。

亞瑟·奧爾森表示，現(xiàn)在，科學(xué)家們開始使用三維打印技術(shù)鑄造更復(fù)雜的生物系統(tǒng)的模型。30年前，奧爾森在加州斯克里普斯研究所創(chuàng)建了這個分子圖像實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室包含有由成千上萬個相互作用的蛋白質(zhì)組成的分子環(huán)境，這種環(huán)境其他方法根本不可能制造出來。奧爾森表示，使用三維打印機(jī)：“任何人都能定制出想要的模型”。但也并非每個人都這樣做，很多科學(xué)家不太那么容易獲得打印機(jī)，他們要么沒有想到使用三維打印機(jī)，要么買不起這種打印產(chǎn)品。

然而，奧爾森表示，這些模型會為科學(xué)研究提供重要的信息。當(dāng)他為一個同事打印出一個蛋白質(zhì)，他們發(fā)現(xiàn)，該蛋白質(zhì)周圍有一個了彎曲的空白空間“通道”從中穿過。在計(jì)算機(jī)屏幕上，這個導(dǎo)管很難發(fā)現(xiàn)，但是，他們發(fā)現(xiàn)，從模型一邊吹進(jìn)的氣流從另一邊出來，才知道這個通道的存在。確定這種通道的長度將有助于更好地了解這些通道以及它們?nèi)绾芜\(yùn)輸分子。在計(jì)算機(jī)上做這些事情可能需要編寫很多新代碼才能完成，但使用這種打印出來的模型，一串字符就可以搞定。

奧爾森表示，讓科學(xué)家們在計(jì)算機(jī)屏幕上扭曲和轉(zhuǎn)動這樣的結(jié)構(gòu)的軟件非常有用。但是，僅有這些軟件還不夠。即使最先進(jìn)的軟件也會讓兩個原子占據(jù)同樣的空間。在計(jì)算機(jī)內(nèi)對分子進(jìn)行修修補(bǔ)補(bǔ)是一份苦差事，每次將物體轉(zhuǎn)動后，計(jì)算機(jī)都需要花費(fèi)很長時間才能重新繪制出物體，另外，解釋這些圖片也需要耗費(fèi)精力。但胡亂擺動一個打印出的物理模型就像玩游戲一樣。奧爾森表示：“我不需要想很多其它事情，我只需要擺動就會有所發(fā)現(xiàn)?！?/p>

現(xiàn)在，奧爾森正試圖讓三維打印技術(shù)的觸覺優(yōu)勢和計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力“雙劍合璧”，打印出自己想要的研究材料。他已經(jīng)使用小的標(biāo)簽紙給打印出來的模型貼上了標(biāo)簽，網(wǎng)絡(luò)攝像頭可以識別出這些標(biāo)簽，制造出了一個“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”的圖景。采用這種方式，用戶能夠把玩該物理模型，同時使用計(jì)算機(jī)探測其他方面，諸如獲得給定分子排列的勢能等。奧爾森也希望使用能夠更容易在堅(jiān)硬的材料和可彎曲材料之間游刃有余切換的打印機(jī)，以便更好地復(fù)制諸如蛋白質(zhì)折疊等分子行為。

打印出適合細(xì)胞發(fā)育的支架

三維打印機(jī)的打印“墨水”并不局限于塑料。生物學(xué)家們一直在嘗試用打印機(jī)打印出人體細(xì)胞或單個細(xì)胞或能夠自然結(jié)合在一起的多細(xì)胞團(tuán)。這些技術(shù)已經(jīng)成功地制造出了血管和能夠跳動的心臟組織。實(shí)現(xiàn)真的可以打印出起作用的器官這一終極夢想可能還有很長的路要走。但從短期來看，科學(xué)家們看到了打印出比在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中培育出來的普通結(jié)構(gòu)更具生命特征的三維細(xì)胞結(jié)構(gòu)的潛力。

由美國Organovo公司研制的三維生物打印機(jī)如今已可以制造動脈，開發(fā)者稱由這種設(shè)備“打印”的動脈最早有望在5年內(nèi)用于心臟搭橋手術(shù)。目前，這家公司研發(fā)出了一臺能制造出三維組織結(jié)構(gòu)的三維打印機(jī)，打印出的結(jié)構(gòu)能被用來測試藥物。迄今為止，它制造出來的最先進(jìn)的模型用于研究纖維化病癥。纖維化可發(fā)生于多種器官，主要病理改變?yōu)槠鞴俳M織內(nèi)纖維結(jié)締組織增多，實(shí)質(zhì)細(xì)胞減少，持續(xù)進(jìn)展可致器官結(jié)構(gòu)破壞和功能減退，乃至衰竭，嚴(yán)重威脅人類健康和生命。公司下一步的目標(biāo)是在這一系統(tǒng)上測試藥物。該公司的首席執(zhí)行官、化學(xué)工程師基斯·墨菲表示：“三維打印機(jī)或許并非是完成這一目標(biāo)的唯一方式，但它確是一種好的方法?！?/p>

目前，其他科研團(tuán)隊(duì)正使用三維打印機(jī)，利用塑料或者膠原蛋白作為原料，打印出細(xì)胞能在其上發(fā)育的支架。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院生物材料團(tuán)隊(duì)的生物學(xué)家卡爾·西蒙表示，這種支架的形狀非常復(fù)雜，能夠幫助科學(xué)家們確定細(xì)胞如何發(fā)育或者干細(xì)胞如何分化成為不同的細(xì)胞類型。借用三維打印技術(shù)，科學(xué)家們就可以打印出不同的支架構(gòu)造并用其進(jìn)行試驗(yàn)以便找出表現(xiàn)最好的支架形狀，而且，這種方式完全在科學(xué)家們的掌控之中。

然而，其中存在的一個問題是大多數(shù)三維打印機(jī)的工作精度僅為幾十微米到幾百微米，然而，細(xì)胞在1微米尺度下才能感應(yīng)分化。英國謝爾菲德大學(xué)的三維打印技術(shù)專家尼爾·霍普金森表示，頂級質(zhì)量的打印機(jī)目前能夠獲得的精確度為100納米。但是，“這仍然還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段?！?/p>

定制實(shí)驗(yàn)工具

目前，普通的三維打印機(jī)就可以使科學(xué)家們能定制自己所需要的實(shí)驗(yàn)工具。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)2012年4月16日報道，英國格拉斯哥大學(xué)的化學(xué)家勒羅伊·克洛寧今年占據(jù)了報紙的頭條，他研制出了一種新的三維打印程序，通過將反應(yīng)容器作為打印素材，能按需求設(shè)計(jì)打印出化學(xué)產(chǎn)品。研究人員介紹說，用一臺商用三維打印機(jī)裝上開源的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件就能生產(chǎn)出各種“反應(yīng)件”（reactionware），可合成各種有機(jī)和無機(jī)物。

“反應(yīng)件”是由聚合物凝膠制成的一種特殊容器，設(shè)置在室溫下工作，專用于化學(xué)反應(yīng)。其中還包括作為打印材料的催化劑和用于電化、光譜分析的其他成分。將容器放入打印機(jī)，再加入其他化學(xué)藥品，容器本身會成為反應(yīng)過程的一部分。這種反應(yīng)通常大型化工廠才能做到，而“反應(yīng)件”讓其首次進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室級別。

另外一些學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家則為三維打印技術(shù)找到了更直接的用途。例如，位于美國紐約州特洛伊的倫斯勒理工學(xué)院的環(huán)境工程師菲利普·巴弗耶使用三維打印技術(shù)為一個滲透儀制造出了定制零件，滲透儀是用來測量通過土壤中的水流情況的設(shè)備。盡管這些設(shè)備目前非常適合日常工作，但是，巴弗耶通常必須自己親自設(shè)計(jì)滲透儀以便用于更精確和精細(xì)的研究，以前，使用車床制造這些實(shí)驗(yàn)工作費(fèi)時很長，但三維打印技術(shù)讓一切變得更加簡單。

或許更重要的是，巴弗耶可以僅僅通過出版相關(guān)的設(shè)計(jì)文件就與其他研究人員分享其實(shí)驗(yàn)成果，他說：“能夠用文字再現(xiàn)試驗(yàn)的具體細(xì)節(jié)非常好?！?/p>

其他人也一致認(rèn)同，三維打印技術(shù)真正強(qiáng)大的威力在于其能讓大多數(shù)人從事科研活動?？寺鍖幭Ｍ?，三維打印技術(shù)最終能讓任何人——無論其身處遙遠(yuǎn)的非洲角落還是外太空，都能打印出自己的小型藥物工廠。博物館也能如愿打印出更多罕見化石或者精細(xì)化石的復(fù)制品并分發(fā)給需要的人們。而且，學(xué)生們也能打印出他們正在研究的任何分子。奧爾森表示：“三維打印技術(shù)讓物理模型可以為大多數(shù)人所擁有?！?/p>

（劉　霞）