據(jù)科技日?qǐng)?bào)報(bào)道，近日，俄羅斯宇航員在國(guó)際空間站上利用3D生物打印機(jī)打印出了實(shí)驗(yàn)鼠的甲狀腺。這是人類首次在太空3D打印出生物器官。  

Organaut生物打印機(jī) （圖片來源：今日俄羅斯通訊社）  

　　太空3D打印因?yàn)樘幱诹阒亓Νh(huán)境，打印出來的器官和組織比在地球上成熟得更快，效率也更高。未來，人類有望在太空中打印出人體器官。  

　　1986年，第一臺(tái)3D印刷機(jī)誕生。2005年，首個(gè)高清晰彩色3D打印機(jī)研制成功。2012年，蘇格蘭科學(xué)家首次用3D打印機(jī)打印出人造肝臟組織。2016年8月，世界首臺(tái)3D人體打印機(jī)問世。2017年，美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的生物工程團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種治療受損的心臟組織的3D打印貼片。2018年初，英國(guó)科學(xué)家首次3D打印出類腦組織……3D打印技術(shù)的快速發(fā)展讓人們不禁令人想問：神奇的3D打印，還有什么是“你”做不到的？   

　　    

　　3D打印誕生已久  

　　3D打印并非新生事物。它的前身是快速原型制造，在上世紀(jì)80年代已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程?，F(xiàn)在通用的各3D打印技術(shù)，在當(dāng)時(shí)基本上都已經(jīng)開發(fā)出來了。反而3D打印這名字來得晚，直到1995年麻省理工學(xué)院的兩名畢業(yè)生JimBredt和TimAnderson才第一次提出了“3D打印”的概念。  

　　3D打印技術(shù)雖然有好多種，但思路都是一樣的，專業(yè)術(shù)語叫做“分布式材料制造”。舉個(gè)大家都容易看懂的例子：一個(gè)人做一個(gè)柜子那是需要很長(zhǎng)時(shí)間，想要加快的話那就得增加人手，但若人數(shù)固定的話還有什么辦法加快制造速度呢？那就是做一堆積木，然后找個(gè)人將積木按照一定的形狀堆積起來再一粘就是了——前提是能看懂說明書。  

左：某工業(yè)用3D打印機(jī)，成型材料應(yīng)為塑料（圖片來源：百度圖片）  

右：以金屬作為原材料3D打印成的飾品（圖片來源：百度圖片）  

　　    

　　3D打印獨(dú)具特色   

　　與傳統(tǒng)加工手段相比，3D打印又具有諸多獨(dú)到之處。   

　　　　先說說用傳統(tǒng)的沖壓方式生產(chǎn)一個(gè)小型的車用零件攏共要用幾步。首先，要有沖壓用的模具。這個(gè)模具好比月餅印一樣，決定了零件的形狀。一般是用專門的模具鋼制造，硬度高而且韌性好。模具分為上模和下模，上模安裝在壓力機(jī)上，可以以很高的速度壓向下模。要加工的材料好比是做月餅的面團(tuán)，被這么瞬間一壓，就變成了模具的形狀，之后用車床除去多余的部分，再進(jìn)行一些研磨拋光一類的機(jī)械加工，零件就完成了。   

沖壓工藝制成的車用小型零件（圖片來源：名古屋豐田博物館參觀紀(jì)念）   

　　    3D打印制作同樣的零件又是個(gè)什么套路呢？首先，在電腦上繪制好零件的設(shè)計(jì)圖，然后將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī)，就可以開始制造零件了。以熔融沉積式3D打印機(jī)為例，事先準(zhǔn)備好的低熔點(diǎn)線材如塑料，石蠟等經(jīng)由3D打印機(jī)的噴嘴加熱后噴出。在電腦的控制下，噴嘴在空間中由低到高逐層進(jìn)行描畫，最后形成零件，基本無須任何的后處理。  

左：某塑料熔融沉積式低端工業(yè)用3D打印機(jī)，白色線卷即為塑料原料（圖片來源：百度圖片）  

右：該打印機(jī)的噴頭部位特寫，雙噴頭設(shè)計(jì)，可同時(shí)打印兩種不同塑料（圖片來源：百度圖片）  

　　上面這個(gè)例子已經(jīng)把3D打印最為本質(zhì)的兩個(gè)特點(diǎn)反映得很清楚了。首先，3D打印與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）以及計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）密不可分，任何3D打印的零件都要從電腦設(shè)計(jì)圖開始自己的生命歷程。假如事先只有圖紙，沒有電腦可以直接利用的造型數(shù)據(jù)，也得重新在電腦中建立模型，繪制設(shè)計(jì)圖。  

　　其次，3D打印是一種增材制造技術(shù)，也就是說與傳統(tǒng)的車床機(jī)械加工一類減材制造技術(shù)不同，產(chǎn)品是由原料直接在空間中堆砌而成。可以把車床機(jī)械加工比作石雕，刀斧錘鑿齊上陣，最終的作品比起最初的原石只少不多。另外一方面，3D打印好比泥塑，塑造形象的組成部分不斷疊加，最終的作品比起最初的泥胚只多不少。有了這迥異于其他前輩的兩大特色，3D打印能在機(jī)械制造技術(shù)的武林之中自立門戶也就不足為奇了。   

　　    

　　3D生物打印：移植器官來源的好幫手  

　　3D打印技術(shù)誕生之后，人們?yōu)榱私鉀Q移植器官來源有限的問題又發(fā)明了3D生物打印。因?yàn)樵诂F(xiàn)有的醫(yī)療手段中，一個(gè)器官的獲取要以另一個(gè)人器官的失去為前提，而主動(dòng)或被動(dòng)失去的器官數(shù)量又遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于需要的器官。基于現(xiàn)有打印技術(shù)的3D生物打印機(jī)使用了生物材料，可以復(fù)合細(xì)胞、生長(zhǎng)因子等活性成分，從而逐層構(gòu)建活體組織。  

3D生物打印過程（圖片來源：百度圖片）  

 

　　2009年底，Organovo公司制造出第一臺(tái)3D生物打印機(jī)的原型機(jī)。研究者在供打印的液態(tài)材料中復(fù)合從骨髓、脂肪等組織中提取出的干細(xì)胞，或不同的活性因子，通過打印頭將液體按照一定圖案打印在接收平臺(tái)上。打印頭每打印過一層，就會(huì)提升一個(gè)層高的刻度，繼而開始下一層圖案的打印，從而逐漸實(shí)現(xiàn)人造組織的成型，這一過程類似于普通3D打印在工業(yè)應(yīng)用中的模型制造。  

　　    

　　3D打印在生物領(lǐng)域的應(yīng)用  

　　現(xiàn)在，醫(yī)用鈦合金人工骨，人工關(guān)節(jié)等已經(jīng)廣泛采用了3D打印技術(shù)。首先，通過CT或者核磁共振等成像技術(shù)獲知患者身體的精確三維結(jié)構(gòu)，然后將數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理并完成個(gè)性化設(shè)計(jì)。之后利用3D打印生成獨(dú)一無二的專屬人工骨，極大的提升了患者的治療質(zhì)量。   

左：利用3D打印技術(shù)制成的人工骨（白色部分）（圖片來源：百度圖片）  

右：利用3D打印技術(shù)制成的隱形牙套（圖片來源：百度圖片）  

　　　　在口腔醫(yī)學(xué)，尤其是口腔正畸醫(yī)學(xué)界，3D打印也呈現(xiàn)星火燎原之勢(shì)。時(shí)下十分流行的隱形牙套，就無法缺少3D打印技術(shù)的支持。該技術(shù)利用功能強(qiáng)大的行業(yè)軟件，精確分析患者經(jīng)過佩戴正畸牙套后牙齒的移動(dòng)情況，再配合3D打印技術(shù)生產(chǎn)出一系列適應(yīng)于不同階段的牙套。這樣的隱形牙套不影響美觀，對(duì)牙齒和口腔傷害很小，并且不影響進(jìn)食，患者只需要遵照電腦計(jì)算的結(jié)果定期更換牙套即可。   

　　　　2017年，美國(guó)西北大學(xué)的一個(gè)課題組利用3D打印技術(shù)將明膠打印成類似于卵巢組織的結(jié)構(gòu)，然后將從小鼠體內(nèi)提取出的卵泡和激素生成細(xì)胞植入這種明膠骨架，得到3D打印的人工卵巢組織。該人工卵巢在移植入摘除卵巢的小鼠體內(nèi)后，表現(xiàn)出了功能健全卵巢的特性，可以正常排卵，在小鼠經(jīng)過多代繁殖后也未見后代異常（圖8）。雖然離人工制造組織或者器官這樣的人類終極夢(mèng)想仍然遙遠(yuǎn)，3D打印還是幫助我們邁出了開拓性的一步。  

左：將明膠用3D打印技術(shù)制成與卵巢組織類似的結(jié)構(gòu)（圖片來源：百度圖片）  

　　右：人工卵巢排出的卵子繁殖出的小鼠，利用基因編輯技術(shù)，處理植入人工卵巢的卵子，繁殖后的小鼠將通體呈現(xiàn)熒光。綠色熒光作為標(biāo)記，以便于確定小鼠確實(shí)繁殖于該人工卵巢（圖片來源：百度圖片）  

　　    

　　3D生物打印領(lǐng)域取得大量的科研突破也將使得我們?cè)谖磥頂?shù)年內(nèi)實(shí)現(xiàn)3D打印器官和組織的前景越來越清晰，從而最終取代人體器官移植的應(yīng)用。同時(shí)，3D生物打印技術(shù)也將被用于制藥、美容、食品、服裝等多個(gè)領(lǐng)域，徹底改變我們的生活。  

　　    

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