三維打印機正悄然開啟新的科研領域

　　目前，與3D打印技術有關的報道不時見諸報端，據報道，人們已經使用三維打印機打印出了飛機模型、口味與日常食用肉相接近的肉類產品等。

　　與此同時，科學界的業內人士也開始關注三維打印機，并利用其打印出了從化石復制品到生物分子再到跳動的心臟細胞等研究對象和材料。有科學家認為，三維打印技術的橫空出世改變了制造業的游戲規則。英國《自然》雜志網站在7月4日的報道中表示：三維打印機正潤物細無聲地開啟新的科研領域。

　　打印出化石模型

　　瑞士蘇黎世大學的研究員克里斯托弗·佐里科夫見證了尼安德特人在現代社會的首次誕生。2007年，在他位于瑞士蘇黎世大學的人類學實驗室內，他見到了一個嬰兒尼安德特人的骨架從一臺復印機大小的機器中緩緩“現身”，所有這一切只不過經歷了20個小時的噪音、呼呼作響的馬達傳遞以及塑料切割。

　　盡管一切看起來很簡單，似乎手到擒來，但這個現代奇跡其實已經經歷了一個冗長的醞釀階段：佐里科夫團隊花費幾年時間從尼安德特人嬰兒那兒找到合適的骨頭，使用計算機斷層掃面設備對其進行了分析并使用數字化方法在計算機上將這些骨頭在計算機屏幕上縫合在一起。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驗室耗資5萬美元的三維打印機的“打印鍵”就做到了這一點。

　　作為使用三維打印機開展科學研究的先鋒人物，早在20年前，佐里科夫就開始使用一臺三維打印機模型進行研究，與現在的設備相比，這種模型售價昂貴而且會用到有毒的材料和溶劑，諸多限制讓大多數科學家望而卻步。但世易時移，現在更新、更便宜的三維打印機慢慢進入主流。就像一臺噴墨打印機能在紙上逐行噴灑墨水一樣，很多現代的三維打印設備能將材料(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，三維打印機可以打印出其他任何復雜形狀的物體。

　　專注于跟蹤分析三維打印市場的沃勒斯聯合公司的首席顧問兼總裁特里·沃勒斯表示，盡管工業系統使用的整套三維打印設備售價7.3萬美元，但現在，一套個人用的打印設備的售價還不足500美元。沃勒斯指出，去年，全球大約銷售出3萬套打印機，學術機構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備的科學家們目前正使用這項技術研究復雜的分子、制造實驗室工具、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。在古生物學和人類學的會議上，越來越多人都拿著他們心儀的化石或骨頭的打印產品。佐里科夫表示：“任何把自己看做人類學家的科學家都需要擁有計算機圖像和三維打印機，否則，就像遺傳學家沒有遺傳序列圖無法開展工作一樣，不能算是名副其實的專業人士。”

　　目前，這種打印產品正為我們提供一些使用更傳統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行復制。然而，使用三維打印機打印出的產品，佐里科夫或許有望探究與尼安德特人的出生有關的情況。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，有不少科學家猜測尼安德特人寬寬的臀部使得他們勞作起來比現代人更加容易，但是，借用打印出來的產品，佐里科夫的實驗證明，尼安德特人嬰兒的頭骨要比現代人更大，這就抵消了臀部寬這一優勢。就像現代人一樣，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育。

　　在佐里科夫的研究中，他將打印出來的模型和計算機圖片上的模型前后交換并進行了仔細分析。計算機模型非常容易計算體積或將骨頭碎片拼接在一起，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，甚至會對化石的大小也會沒有什么概念。”他補充道，這種虛擬的物理學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，化學家和分子生物學家們都使用模型以更好地理解分子結構以及X射線和晶體照相術獲得的數據。DNA結構的發現者、1962年諾貝爾醫學獎獲得者、美國科學家詹姆斯·沃森和英國科學家弗朗西斯·克里克就在球和棍子結構的幫助下，最終發現了DNA的雙螺旋結構，這被普遍看作分子生物學時代的開端。

　　亞瑟·奧爾森表示，現在，科學家們開始使用三維打印技術鑄造更復雜的生物系統的模型。30年前，奧爾森在加州斯克里普斯研究所創建了這個分子圖像實驗室。該實驗室包含有由成千上萬個相互作用的蛋白質組成的分子環境，這種環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：“任何人都能定制出想要的模型”。但也并非每個人都這樣做，很多科學家不太那么容易獲得打印機，他們要么沒有想到使用三維打印機，要么買不起這種打印產品。

　　然而，奧爾森表示，這些模型會為科學研究提供重要的信息。當他為一個同事打印出一個蛋白質，他們發現，該蛋白質周圍有一個了彎曲的空白空間“通道”從中穿過。在計算機屏幕上，這個導管很難發現，但是，他們發現，從模型一邊吹進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如何運輸分子。在計算機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，讓科學家們在計算機屏幕上扭曲和轉動這樣的結構的軟件非常有用。但是，僅有這些軟件還不夠。即使最先進的軟件也會讓兩個原子占據同樣的空間。在計算機內對分子進行修修補補是一份苦差事，每次將物體轉動后，計算機都需要花費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現。”

　　現在，奧爾森正試圖讓三維打印技術的觸覺優勢和計算機強大的計算能力“雙劍合璧”，打印出自己想要的研究材料。他已經使用小的標簽紙給打印出來的模型貼上了標簽，網絡攝像頭可以識別出這些標簽，制造出了一個“增強現實”的圖景。采用這種方式，用戶能夠把玩該物理模型，同時使用計算機探測其他方面，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硬的材料和可彎曲材料之間游刃有余切換的打印機，以便更好地復制諸如蛋白質折疊等分子行為。

　　打印出適合細胞發育的支架

　　三維打印機的打印“墨水”并不局限于塑料。生物學家們一直在嘗試用打印機打印出人體細胞或單個細胞或能夠自然結合在一起的多細胞團。這些技術已經成功地制造出了血管和能夠跳動的心臟組織。實現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，科學家們看到了打印出比在實驗室培養皿中培育出來的普通結構更具生命特征的三維細胞結構的潛力。

　　由美國Organovo公司研制的三維生物打印機如今已可以制造動脈，開發者稱由這種設備“打印”的動脈最早有望在5年內用于心臟搭橋手術。目前，這家公司研發出了一臺能制造出三維組織結構的三維打印機，打印出的結構能被用來測試藥物。迄今為止，它制造出來的最先進的模型用于研究纖維化病癥。纖維化可發生于多種器官，主要病理改變為器官組織內纖維結締組織增多，實質細胞減少，持續進展可致器官結構破壞和功能減退，乃至衰竭，嚴重威脅人類健康和生命。公司下一步的目標是在這一系統上測試藥物。該公司的首席執行官、化學工程師基斯·墨菲表示：“三維打印機或許并非是完成這一目標的唯一方式，但它確是一種好的方法。”

　　目前，其他科研團隊正使用三維打印機，利用塑料或者膠原蛋白作為原料，打印出細胞能在其上發育的支架。美國國家標準與技術研究院生物材料團隊的生物學家卡爾·西蒙表示，這種支架的形狀非常復雜，能夠幫助科學家們確定細胞如何發育或者干細胞如何分化成為不同的細胞類型。借用三維打印技術，科學家們就可以打印出不同的支架構造并用其進行試驗以便找出表現最好的支架形狀，而且，這種方式完全在科學家們的掌控之中。

　　然而，其中存在的一個問題是大多數三維打印機的工作精度僅為幾十微米到幾百微米，然而，細胞在1微米尺度下才能感應分化。英國謝爾菲德大學的三維打印技術專家尼爾·霍普金森表示，頂級質量的打印機目前能夠獲得的精確度為100納米。但是，“這仍然還處于實驗室研究階段。”

　　定制實驗工具

　　目前，普通的三維打印機就可以使科學家們能定制自己所需要的實驗工具。據物理學家組織網4月16日報道，英國格拉斯哥大學的化學家勒羅伊·克洛寧今年占據了報紙的頭條，他研制出了一種新的三維打印程序，通過將反應容器作為打印素材，能按需求設計打印出化學產品。研究人員介紹說，用一臺商用三維打印機裝上開源的計算機輔助設計軟件就能生產出各種“反應件”(reactionware)，可合成各種有機和無機物。

　　“反應件”是由聚合物凝膠制成的一種特殊容器，設置在室溫下工作，專用于化學反應。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，再加入其他化學藥品，容器本身會成為反應過程的一部分。這種反應通常大型化工廠才能做到，而“反應件”讓其首次進入實驗室級別。

　　另外一些學科領域的科學家則為三維打印技術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院的環境工程師菲利普·巴弗耶使用三維打印技術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備。盡管這些設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計滲透儀以便用于更精確和精細的研究，以前，使用車床制造這些實驗工作費時很長，但三維打印技術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的設計文件就與其他研究人員分享其實驗成果，他說：“能夠用文字再現試驗的具體細節非常好。”

　　其他人也一致認同，三維打印技術真正強大的威力在于其能讓大多數人從事科研活動。克洛寧希望，三維打印技術最終能讓任何人——無論其身處遙遠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化石的復制品并分發給需要的人們。而且，學生們也能打印出他們正在研究的任何分子。奧爾森表示：“三維打印技術讓物理模型可以為大多數人所擁有。”