3D 打印在動(dòng)物骨骼制作中的應(yīng)用

劉 俏，宋波瀾，李 林，蔡旭瓊，杜雨鈴

（湖南文理學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南常德 415000）

動(dòng)物骨骼標(biāo)本是生物標(biāo)本的重要組成部分，不僅在分類學(xué)、動(dòng)物學(xué)等相關(guān)學(xué)科的研究上有著至關(guān)重要的意義，且在生物教學(xué)上占據(jù)重要地位[1]。隨著近年來動(dòng)物保護(hù)及動(dòng)物標(biāo)本管控的逐步發(fā)展，一些新興技術(shù)在動(dòng)物骨骼制作中不斷應(yīng)用并逐步得到推廣。因3D 打印技術(shù)（3D printing technology） 具有有效控制成本、提高原料利用率、工藝周期短等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，為動(dòng)物骨骼制作提供了便利條件。因此，檢索了近年來國內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)3D 打印在動(dòng)物骨骼制作中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，旨在加深對(duì)3D 打印技術(shù)和動(dòng)物骨骼制作的認(rèn)識(shí)，以及為3D 打印技術(shù)在動(dòng)物骨骼制作中的應(yīng)用提供更多的參考資料。

1 3D 打印技術(shù)

1.1 3D 打印技術(shù)的原理

3D 打印技術(shù)被稱為增材制造，是一種快速成型技術(shù)。與傳統(tǒng)加工技術(shù)首先建模，進(jìn)而在原始材料的基礎(chǔ)上通過切割等手段除去多余部分，最終得到目標(biāo)零件這樣的減材制造過程恰恰相反。增材處理技術(shù)則是由計(jì)算機(jī)圖形文件數(shù)據(jù)，運(yùn)用一系列可粘合材料逐層進(jìn)行打印，最終成型制成實(shí)際物體[4]。同時(shí)，3D 打印技術(shù)是一種具有較高科技含量的綜合性應(yīng)用技術(shù)，綜合了信息技術(shù)、數(shù)字建模、材料科學(xué)與化學(xué)等許多領(lǐng)域的知識(shí)[5]。

1.2 3D 打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

3D 打印作為一項(xiàng)具有巨大潛力的新興制造技術(shù)，具有超越傳統(tǒng)加工制造技術(shù)的一些優(yōu)勢(shì)。第一，通過3D 打印技術(shù)可將三維數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)體模型，具有準(zhǔn)確、快速、直觀的特性[6]；第二，3D 打印基于電子三維數(shù)據(jù)，方便于投入測(cè)試后再次進(jìn)行修改調(diào)整[7]；第三，與傳統(tǒng)減材制造相比，增材制造幾乎不產(chǎn)生原料廢渣，更加環(huán)保節(jié)約資源。

1.3 3D 打印技術(shù)的應(yīng)用

3D 打印技術(shù)順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展的潮流，滿足了現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)品快速迭代、生產(chǎn)周期縮短的需求。目前，已在生物工程、高等教育、口腔科學(xué)和機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。隨著時(shí)代發(fā)展進(jìn)步，3D 打印技術(shù)也在越來越多領(lǐng)域發(fā)揮作用，從機(jī)械零件制造、生活用品到生物醫(yī)學(xué)材料制造，甚至是活體器官打印，其應(yīng)用前景十分廣泛[8]。

2 動(dòng)物骨骼標(biāo)本的意義及所面臨的問題

2.1 動(dòng)物骨骼標(biāo)本的意義

標(biāo)本由于其獨(dú)特的科研價(jià)值、裝飾價(jià)值及收藏價(jià)值，一個(gè)好的標(biāo)本不僅僅能給人們提供藝術(shù)的鑒賞，增加生活的趣味性，更能在科研中也提供巨大的價(jià)值；其可用作教材在課堂上直觀展現(xiàn)，如“動(dòng)物學(xué)”“動(dòng)物解剖學(xué)”等，也可提高學(xué)生的感知技能，且讓學(xué)生參與制作過程[9]。

動(dòng)物標(biāo)本是科研人員進(jìn)行研究的最基本也最直觀的信息，骨樣本是一種圖像檔案。骨骼標(biāo)本對(duì)于了解動(dòng)物的歷史，預(yù)測(cè)其未來發(fā)展，以及研究如何保護(hù)和發(fā)展都有著重要的作用。研究動(dòng)物骨骼最有效的辦法就是創(chuàng)造骨骼樣本。從科學(xué)研究的角度來講，動(dòng)物骨骼樣本不受時(shí)間與空間的限制，能提供有效的證據(jù)；從科普宣傳的角度來講，動(dòng)物骨骼樣本的展覽能夠讓學(xué)生更加了解動(dòng)物的生理構(gòu)造，并培養(yǎng)對(duì)瀕危動(dòng)物的保護(hù)意識(shí)[10]。因此，對(duì)于教育和科研工作者來講，掌握動(dòng)物骨骼標(biāo)本的制作技術(shù)具有重要意義。

2.2 動(dòng)物骨骼標(biāo)本所面臨的問題

傳統(tǒng)的動(dòng)物骨骼標(biāo)本制作困難而且難以保存，并且在運(yùn)輸和展覽過程中都可能損壞。例如，一套完整無損的動(dòng)物骨骼樣本，需要經(jīng)過剝離、剔肉、脫脂、漂白等多重步驟，并按照動(dòng)物原本結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列安裝，力求還原最真實(shí)的樣子。一件中等大小的動(dòng)物骨骼標(biāo)本往往需要數(shù)月之久才能完成。骨骼標(biāo)本對(duì)于保存過程中的條件要求也十分嚴(yán)苛，其由于環(huán)境溫度、濕度、動(dòng)物自身材質(zhì)和生前個(gè)體差異的不同，會(huì)有不同程度的損壞。另外，由于每一個(gè)標(biāo)本師的操作手法不同，標(biāo)本的脫脂程度也會(huì)存在較大差異，就會(huì)造成骨骼標(biāo)本在保存過程中出現(xiàn)不同程度的反油現(xiàn)象，從而導(dǎo)致標(biāo)本被雜菌所污染。這樣的標(biāo)本又不宜進(jìn)行二次清理，否則可能加速標(biāo)本的腐壞。除此之外，骨骼標(biāo)本材質(zhì)脆弱，特別是一些珍稀鳥類的標(biāo)本，除了因?yàn)槠鋽?shù)量少而導(dǎo)致能制造的標(biāo)本極少的客觀原因，其一旦損壞，修復(fù)起來也會(huì)變得十分困難。耗費(fèi)大量的人力財(cái)力物力才能制作出好的骨骼標(biāo)本，卻常常因?yàn)榫S護(hù)保存不當(dāng)而導(dǎo)致?lián)p壞或者部分丟失，造成無法挽回的損失。因此，如何改進(jìn)傳統(tǒng)骨骼標(biāo)本的制造是目前面臨的一大難題。

3 3D 打印在動(dòng)物骨骼制作中的應(yīng)用及前景

近年來，我國現(xiàn)行法律加大了對(duì)野生動(dòng)物保護(hù)管控力度，十三屆全國人大常委會(huì)第三十八次會(huì)議于2022 年12 月30 日表決通過了修訂后的《中華人民共和國野生動(dòng)物保護(hù)法》，細(xì)化了對(duì)野生動(dòng)物種群調(diào)控措施，對(duì)動(dòng)物標(biāo)本追蹤溯源，加大對(duì)相關(guān)違法行為的處罰力度，在保護(hù)野生動(dòng)物及其棲息地、維護(hù)生物多樣性等方面有著重要的意義。動(dòng)物標(biāo)本的供不應(yīng)求，促進(jìn)了近年來高速發(fā)展的新興技術(shù)在動(dòng)物骨骼制作上的應(yīng)用。動(dòng)物骨骼標(biāo)本在分類學(xué)、動(dòng)物學(xué)、教學(xué)、科普上發(fā)揮了重要作用，促進(jìn)人們對(duì)動(dòng)物的認(rèn)識(shí)和理解。

Li F 等人[11]將使用三維掃描和打印技術(shù)制作的數(shù)字化模型與原始骨骼標(biāo)本進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在模型與原始標(biāo)本的精度較高，骨骼測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差較小。表明3D 打印模型在解剖學(xué)教育和獸醫(yī)臨床培訓(xùn)中可以作為原始骨骼標(biāo)本的一種可行的替代方法。目前，國外已有了一系列關(guān)于三維打印在動(dòng)物學(xué)相關(guān)學(xué)科上的應(yīng)用，而國內(nèi)關(guān)于三維打印在動(dòng)物骨骼標(biāo)本制作方面研究較少，但也有一些成功的案例，主要是對(duì)微小動(dòng)物、昆蟲、哺乳動(dòng)物等其他動(dòng)物的研究。

3.1 3D 打印在微小動(dòng)物骨骼中的應(yīng)用

微小動(dòng)物由于其身形較小，人們難以觀察到其細(xì)微的形態(tài)學(xué)特征，制作微小動(dòng)物的放大模型也是一大難題，3D 打印技術(shù)可以為微小動(dòng)物形態(tài)特征的直觀呈現(xiàn)提供一定參考。有學(xué)者將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于海洋微體古生物的分類學(xué)，認(rèn)為高質(zhì)量圖像應(yīng)該提供給科學(xué)界作為參考資料，關(guān)于這類微小動(dòng)物的分類學(xué)問題可以使用Wiki Web 應(yīng)用程序來解決[12]。上海自然博物館的繆克佳等人[13]基于3D 打印技術(shù)嘗試完成水熊蟲、蜱螨和原尾蟲3 類小型土壤動(dòng)物的模型，進(jìn)一步探索該技術(shù)在自然博物館展示中的應(yīng)用。將3D 打印技術(shù)應(yīng)用在微小動(dòng)物骨骼模型制作中，目前已經(jīng)取得一定的研究成果，但因其步驟繁瑣、難度較大、單件成本偏高等問題，3D 打印技術(shù)在微小動(dòng)物骨骼中的應(yīng)用仍存在一定的修改難度。

3.2 3D 打印在昆蟲骨骼中的應(yīng)用

昆蟲作為動(dòng)物界數(shù)量最多的群體，目前人類已知有100 余萬種，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)有著重要的意義，昆蟲標(biāo)本的形態(tài)學(xué)鑒定是對(duì)昆蟲進(jìn)行分類的重要依據(jù)。陳秋燕[14]在研究中首次明確了棉鈴蟲成蟲的腦解剖結(jié)構(gòu)，分析共聚焦激光掃描得各結(jié)構(gòu)圖像構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合3D 打印技術(shù)將三維結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型，該模型不僅可展示棉鈴蟲成蟲的腦解剖結(jié)構(gòu)，而且還可拆卸進(jìn)行仔細(xì)觀察。金光耀等人[15]對(duì)云杉八齒小蠹、黑脂大小蠹、雙鉤異翅長(zhǎng)蠹、馬鈴薯甲蟲、橙斑白條天牛這5 種具有較高科普意義和價(jià)值的檢疫性有害昆蟲的3D 打印模型進(jìn)行了研究，將通過不同的打印技術(shù)所得的成品模型與實(shí)物模型標(biāo)本進(jìn)行對(duì)比，篩選出最適合昆蟲的打印流程。目前，人類已構(gòu)建出多種昆蟲的三維數(shù)字模型，如沙漠蝗蟲、螳螂、蝴蝶等，SLA 打印技術(shù)可較好還原出昆蟲的基本特征且細(xì)節(jié)還原度較高[15]，但還無法實(shí)現(xiàn)彩色3D 打印，必須采用人工著色。

3.3 3D 打印在哺乳動(dòng)物骨骼中的應(yīng)用

哺乳動(dòng)物是動(dòng)物界中生理機(jī)能最完善的動(dòng)物，身體器官結(jié)構(gòu)及相互位置復(fù)雜，動(dòng)物骨骼標(biāo)本和模型是解剖學(xué)不可或缺的教具。Reis D A L D 等人[16]對(duì)馬胸肢骨骼的原始骨骼和3D 打印模型的解剖學(xué)特征進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，發(fā)現(xiàn)3D 打印模型與標(biāo)本之間具有很強(qiáng)的相似性，二者之間無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異?？当秾幍热薣17]和牛曉玉等人[18]通過3D 打印技術(shù)分別打印出比格犬的胸腔和心臟的解剖模型，采用三維掃描結(jié)合3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了比格犬胸腔高精度三維模型的構(gòu)建和實(shí)體模型的制造，證明以此方法可實(shí)現(xiàn)高精度解剖模型的快速制造和批量生產(chǎn)。鄧健全等人[19]在三維重建的基礎(chǔ)上打印出離體豬心臟的高精度冠狀動(dòng)脈模型，在臨床科研和解剖教學(xué)等領(lǐng)域有重要意義。在分析人體骨骼支架實(shí)際要求和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，王翔[20]通過3D 打印技術(shù)開展人工骨胳支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在骨骼治療方面提供一定參考資料。目前，關(guān)于哺乳動(dòng)物的實(shí)體模型制作仍較少，對(duì)于邊緣、縫隙、曲度等部位的數(shù)據(jù)采集存在較大難度。

而國外的史密森博物館、大都會(huì)博物館等知名博物館早已將3D 掃描和打印技術(shù)應(yīng)用于創(chuàng)建新作品，有研究詳細(xì)分析了3D 技術(shù)在展覽、保護(hù)、研究、教育等領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，探究該技術(shù)對(duì)博物館整體體驗(yàn)的影響。由此可見，3D 打印技術(shù)在動(dòng)物骨骼上的應(yīng)用可以在博物館展示、動(dòng)物學(xué)相關(guān)學(xué)科的研究、臨床醫(yī)學(xué)、生物教學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和推廣，并能發(fā)揮其至關(guān)重要的作用。

4 3D 打印在動(dòng)物骨骼制作中的不足及遇到的問題

利用3D 打印制作動(dòng)物骨骼標(biāo)本，需要對(duì)其原本的骨骼進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、修正，之后進(jìn)行建模及打印實(shí)物4 個(gè)步驟。因存在大量稀缺物種的骨骼標(biāo)本，制作團(tuán)隊(duì)不能獲得骨骼數(shù)據(jù)，無法開展進(jìn)一步研究。趙巖等人[19]以朱鹮為例，人們僅僅能夠通過一些網(wǎng)絡(luò)信息資源對(duì)其大致了解，無法掌握其全部數(shù)據(jù)，而且樣本保存單位缺乏專業(yè)的研究技術(shù)人員。

除此之外，3D 打印的應(yīng)用也存在一定的局限性。例如制作過程中需要考慮儀器的清潔問題，3D打印對(duì)于打印材料有嚴(yán)重的限制性，且3D 打印的制度化和標(biāo)準(zhǔn)化是一個(gè)持續(xù)發(fā)展的過程，需要按照政府的要求標(biāo)準(zhǔn)，接受政府監(jiān)管限制。最后，3D 打印材料的降解也是其的一個(gè)重要問題。

5 結(jié)語

就目前而言，3D 打印技術(shù)在國外已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，主要包括了航空航天、汽車零部件制造、醫(yī)學(xué)、建筑、軍事和生物科技等領(lǐng)域，并且在智能制造各種產(chǎn)品方向占據(jù)了大部分市場(chǎng)。而動(dòng)物骨骼標(biāo)本3D 打印可有效地解決使用傳統(tǒng)制作方法之后進(jìn)行動(dòng)物骨骼標(biāo)本在保護(hù)收藏、展示中組架安裝的問題。如何科學(xué)地制作動(dòng)物骨骼也是動(dòng)物骨骼標(biāo)本應(yīng)用于教學(xué)和展示的關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的制作方法極大地影響著骨骼生物特點(diǎn)的保留，標(biāo)本制作的關(guān)鍵是如何降低這些由制作過程中物理、化學(xué)方法帶來的影響。通過改進(jìn)動(dòng)物骨骼標(biāo)本的制作工藝與制作理念，已經(jīng)極大地保留了動(dòng)物骨骼的基礎(chǔ)生物信息，但或多或少不可避免方法對(duì)其的影響。在動(dòng)物骨骼標(biāo)本制作與組架的過程中，3D 化的信息細(xì)節(jié)文件可對(duì)這些工作有指導(dǎo)作用，可有效解決動(dòng)物標(biāo)本制作與組架的科學(xué)性與準(zhǔn)確性問題，亦可使用數(shù)字化文件對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。對(duì)三維打印技術(shù)在動(dòng)物骨骼制作中的應(yīng)用和所存在的問題進(jìn)行綜述，旨在為3D打印技術(shù)在動(dòng)物學(xué)方面的研究和應(yīng)用中奠定一定基礎(chǔ)。未來3D 打印的各種動(dòng)物骨骼模型將廣泛得出現(xiàn)在人們的日常生活之中，應(yīng)用于生物科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的科研和教學(xué)之中。