三维打印机正开启新的科研领域

作者：记者 刘霞 综合外电

发布时间：2012年07月24日  来源：科技日报  

　　目前，与3D打印技术有关的报道不时见诸报端，据报道，人们已经使用三维打印机打印出了飞机模型、口味与日常食用肉相接近的肉类产品等。

　　与此同时，科学界的业内人士也开始关注三维打印机，并利用其打印出了从化石复制品到生物分子再到跳动的心脏细胞等研究对象和材料。有科学家认为，三维打印技术的横空出世改变了制造业的游戏规则。英国《自然》杂志网站在7月4日的报道中表示：三维打印机正润物细无声地开启新的科研领域。

　　打印出化石模型

　　瑞士苏黎世大学的研究员克里斯托弗·佐里科夫见证了尼安德特人在现代社会的首次诞生。2007年，在他位于瑞士苏黎世大学的人类学实验室内，他见到了一个婴儿尼安德特人的骨架从一台复印机大小的机器中缓缓“现身”，所有这一切只不过经历了20个小时的噪音、呼呼作响的马达传递以及塑料切割。

　　尽管一切看起来很简单，似乎手到擒来，但这个现代奇迹其实已经经历了一个冗长的酝酿阶段：佐里科夫团队花费几年时间从尼安德特人婴儿那儿找到合适的骨头，使用计算机断层扫面设备对其进行了分析并使用数字化方法在计算机上将这些骨头在计算机屏幕上缝合在一起。不过，制作模型的最后一步的确比较简单，佐里科夫只是按下实验室耗资5万美元的三维打印机的“打印键”就做到了这一点。

　　作为使用三维打印机开展科学研究的先锋人物，早在20年前，佐里科夫就开始使用一台三维打印机模型进行研究，与现在的设备相比，这种模型售价昂贵而且会用到有毒的材料和溶剂，诸多限制让大多数科学家望而却步。但世易时移，现在更新、更便宜的三维打印机慢慢进入主流。就像一台喷墨打印机能在纸上逐行喷洒墨水一样，很多现代的三维打印设备能将材料（通常是塑料）一层一层喷洒在表面上，制造出一个物体的形状。其他由一桶液体或者固体粉末状塑料组成的熔融固体层则常常使用紫外线或红外线来将其喷射在表面上。另外，有时候在临时支架（这些支架后来会溶解或被铲除）的帮助下，三维打印机可以打印出其他任何复杂形状的物体。

　　专注于跟踪分析三维打印市场的沃勒斯联合公司的首席顾问兼总裁特里·沃勒斯表示，尽管工业系统使用的整套三维打印设备售价7.3万美元，但现在，一套个人用的打印设备的售价还不足500美元。沃勒斯指出，去年，全球大约销售出3万套打印机，学术机构购买了其中的三分之一，平均售价为1.5万到3万美元。

　　那些先行使用三维打印设备的科学家们目前正使用这项技术研究复杂的分子、制造实验室工具、共享罕见的人造制品、甚至打印出像心脏一样跳动的心脏组织。在古生物学和人类学的会议上，越来越多人都拿着他们心仪的化石或骨头的打印产品。佐里科夫表示：“任何把自己看做人类学家的科学家都需要拥有计算机图像和三维打印机，否则，就像遗传学家没有遗传序列图无法开展工作一样，不能算是名副其实的专业人士。”

　　目前，这种打印产品正为我们提供一些使用更传统的方法所无法获得的信息。例如，尼安德特人的婴儿化石相当罕见，因此，佐里科夫不想冒险使用常用的砂型铸造法来对其脆弱的样本进行复制。然而，使用三维打印机打印出的产品，佐里科夫或许有望探究与尼安德特人的出生有关的情况。除了这幅婴儿骨架，他还打印出了一个成年女性尼安德特人的骨盆。

　　此前，有不少科学家猜测尼安德特人宽宽的臀部使得他们劳作起来比现代人更加容易，但是，借用打印出来的产品，佐里科夫的实验证明，尼安德特人婴儿的头骨要比现代人更大，这就抵消了臀部宽这一优势。就像现代人一样，尼安德特人的头部最大，或许生来就是如此，这就让他们能尽快发育。

　　在佐里科夫的研究中，他将打印出来的模型和计算机图片上的模型前后交换并进行了仔细分析。计算机模型非常容易计算体积或将骨头碎片拼接在一起，研究人员能将其放在合适的地方，没有重力会导致它们下落。但是，他说，如果使用这些虚拟的模型，“你会失去触感，甚至会对化石的大小也会没有什么概念。”他补充道，这种虚拟的物理学模型更适合查看碎片如何各就各位，放置在什么地方合适。

　　分子的游乐场

　　长期以来，化学家和分子生物学家们都使用模型以更好地理解分子结构以及X射线和晶体照相术获得的数据。DNA结构的发现者、1962年诺贝尔医学奖获得者、美国科学家詹姆斯·沃森和英国科学家弗朗西斯·克里克就在球和棍子结构的帮助下，最终发现了DNA的双螺旋结构，这被普遍看作分子生物学时代的开端。

　　亚瑟·奥尔森表示，现在，科学家们开始使用三维打印技术铸造更复杂的生物系统的模型。30年前，奥尔森在加州斯克里普斯研究所创建了这个分子图像实验室。该实验室包含有由成千上万个相互作用的蛋白质组成的分子环境，这种环境其他方法根本不可能制造出来。奥尔森表示，使用三维打印机：“任何人都能定制出想要的模型”。但也并非每个人都这样做，很多科学家不太那么容易获得打印机，他们要么没有想到使用三维打印机，要么买不起这种打印产品。

　　然而，奥尔森表示，这些模型会为科学研究提供重要的信息。当他为一个同事打印出一个蛋白质，他们发现，该蛋白质周围有一个了弯曲的空白空间“通道”从中穿过。在计算机屏幕上，这个导管很难发现，但是，他们发现，从模型一边吹进的气流从另一边出来，才知道这个通道的存在。确定这种通道的长度将有助于更好地了解这些通道以及它们如何运输分子。在计算机上做这些事情可能需要编写很多新代码才能完成，但使用这种打印出来的模型，一串字符就可以搞定。

　　奥尔森表示，让科学家们在计算机屏幕上扭曲和转动这样的结构的软件非常有用。但是，仅有这些软件还不够。即使最先进的软件也会让两个原子占据同样的空间。在计算机内对分子进行修修补补是一份苦差事，每次将物体转动后，计算机都需要花费很长时间才能重新绘制出物体，另外，解释这些图片也需要耗费精力。但胡乱摆动一个打印出的物理模型就像玩游戏一样。奥尔森表示：“我不需要想很多其它事情，我只需要摆动就会有所发现。”

　　现在，奥尔森正试图让三维打印技术的触觉优势和计算机强大的计算能力“双剑合璧”，打印出自己想要的研究材料。他已经使用小的标签纸给打印出来的模型贴上了标签，网络摄像头可以识别出这些标签，制造出了一个“增强现实”的图景。采用这种方式，用户能够把玩该物理模型，同时使用计算机探测其他方面，诸如获得给定分子排列的势能等。奥尔森也希望使用能够更容易在坚硬的材料和可弯曲材料之间游刃有余切换的打印机，以便更好地复制诸如蛋白质折叠等分子行为。

　　打印出适合细胞发育的支架

　　三维打印机的打印“墨水”并不局限于塑料。生物学家们一直在尝试用打印机打印出人体细胞或单个细胞或能够自然结合在一起的多细胞团。这些技术已经成功地制造出了血管和能够跳动的心脏组织。实现真的可以打印出起作用的器官这一终极梦想可能还有很长的路要走。但从短期来看，科学家们看到了打印出比在实验室培养皿中培育出来的普通结构更具生命特征的三维细胞结构的潜力。

　　由美国Organovo公司研制的三维生物打印机如今已可以制造动脉，开发者称由这种设备“打印”的动脉最早有望在5年内用于心脏搭桥手术。目前，这家公司研发出了一台能制造出三维组织结构的三维打印机，打印出的结构能被用来测试药物。迄今为止，它制造出来的最先进的模型用于研究纤维化病症。纤维化可发生于多种器官，主要病理改变为器官组织内纤维结缔组织增多，实质细胞减少，持续进展可致器官结构破坏和功能减退，乃至衰竭，严重威胁人类健康和生命。公司下一步的目标是在这一系统上测试药物。该公司的首席执行官、化学工程师基斯·墨菲表示：“三维打印机或许并非是完成这一目标的唯一方式，但它确是一种好的方法。”

　　目前，其他科研团队正使用三维打印机，利用塑料或者胶原蛋白作为原料，打印出细胞能在其上发育的支架。美国国家标准与技术研究院生物材料团队的生物学家卡尔·西蒙表示，这种支架的形状非常复杂，能够帮助科学家们确定细胞如何发育或者干细胞如何分化成为不同的细胞类型。借用三维打印技术，科学家们就可以打印出不同的支架构造并用其进行试验以便找出表现最好的支架形状，而且，这种方式完全在科学家们的掌控之中。

　　然而，其中存在的一个问题是大多数三维打印机的工作精度仅为几十微米到几百微米，然而，细胞在1微米尺度下才能感应分化。英国谢尔菲德大学的三维打印技术专家尼尔·霍普金森表示，顶级质量的打印机目前能够获得的精确度为100纳米。但是，“这仍然还处于实验室研究阶段。”

　　定制实验工具

　　目前，普通的三维打印机就可以使科学家们能定制自己所需要的实验工具。据物理学家组织网4月16日报道，英国格拉斯哥大学的化学家勒罗伊·克洛宁今年占据了报纸的头条，他研制出了一种新的三维打印程序，通过将反应容器作为打印素材，能按需求设计打印出化学产品。研究人员介绍说，用一台商用三维打印机装上开源的计算机辅助设计软件就能生产出各种“反应件”（reactionware），可合成各种有机和无机物。

　　“反应件”是由聚合物凝胶制成的一种特殊容器，设置在室温下工作，专用于化学反应。其中还包括作为打印材料的催化剂和用于电化、光谱分析的其他成分。将容器放入打印机，再加入其他化学药品，容器本身会成为反应过程的一部分。这种反应通常大型化工厂才能做到，而“反应件”让其首次进入实验室级别。

　　另外一些学科领域的科学家则为三维打印技术找到了更直接的用途。例如，位于美国纽约州特洛伊的伦斯勒理工学院的环境工程师菲利普·巴弗耶使用三维打印技术为一个渗透仪制造出了定制零件，渗透仪是用来测量通过土壤中的水流情况的设备。尽管这些设备目前非常适合日常工作，但是，巴弗耶通常必须自己亲自设计渗透仪以便用于更精确和精细的研究，以前，使用车床制造这些实验工作费时很长，但三维打印技术让一切变得更加简单。

　　或许更重要的是，巴弗耶可以仅仅通过出版相关的设计文件就与其他研究人员分享其实验成果，他说：“能够用文字再现试验的具体细节非常好。”

　　其他人也一致认同，三维打印技术真正强大的威力在于其能让大多数人从事科研活动。克洛宁希望，三维打印技术最终能让任何人——无论其身处遥远的非洲角落还是外太空，都能打印出自己的小型药物工厂。博物馆也能如愿打印出更多罕见化石或者精细化石的复制品并分发给需要的人们。而且，学生们也能打印出他们正在研究的任何分子。奥尔森表示：“三维打印技术让物理模型可以为大多数人所拥有。”

　　上图：美国加州斯克里普斯研究所的亚瑟·奥尔森团队用三维打印机制造分子模型的具体过程。图1：斯克里普斯研究所的科学家们使用的是Z Corporation公司推出的三维彩色打印机，通过在整个帆布之上拖动一薄层熟石膏粉并在每层的合适地点铺展彩色的胶水，打印机打印出了分子模型；图2：当物体完成后，他们必须用刷子和空气流将其从松散的粉末中分离出来；图3：这种打印输出产品非常脆弱，所以，科学家们用环氧树脂或蜂蜡这样的硬化剂来让它们变得更加坚硬；图4：这样，科学家们得到了最终的产品：一个DNA结合蛋白质的模型。