厉害!太空3D打印小鼠甲状腺
发布时间:2018-12-11
出品:科普中国
制作:大阪大学
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  据科技日报报道,近日,俄罗斯宇航员在国际空间站上利用3D生物打印机打印出了实验鼠的甲状腺。这是人类首次在太空3D打印出生物器官。 

Organaut生物打印机 (图片来源:今日俄罗斯通讯社) 

  太空3D打印因为处于零重力环境,打印出来的器官和组织比在地球上成熟得更快,效率也更高。未来,人类有望在太空中打印出人体器官。 

  1986年,第一台3D印刷机诞生。2005年,首个高清晰彩色3D打印机研制成功。2012年,苏格兰科学家首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。20168月,世界首台3D人体打印机问世。2017年,美国明尼苏达大学的生物工程团队开发出一种治疗受损的心脏组织的3D打印贴片。2018年初,英国科学家首次3D打印出类脑组织……3D打印技术的快速发展让人们不禁令人想问:神奇的3D打印,还有什么是“你”做不到的?  

    

  3D打印诞生已久 

  3D打印并非新生事物。它的前身是快速原型制造,在上世纪80年代已经应用于工业设计和生产过程。现在通用的各3D打印技术,在当时基本上都已经开发出来了。反而3D打印这名字来得晚,直到1995年麻省理工学院的两名毕业生JimBredtTimAnderson才第一次提出了“3D打印”的概念。 

  3D打印技术虽然有好多种,但思路都是一样的,专业术语叫做“分布式材料制造”。举个大家都容易看懂的例子:一个人做一个柜子那是需要很长时间,想要加快的话那就得增加人手,但若人数固定的话还有什么办法加快制造速度呢?那就是做一堆积木,然后找个人将积木按照一定的形状堆积起来再一粘就是了——前提是能看懂说明书。 

左:某工业用3D打印机,成型材料应为塑料(图片来源:百度图片) 

右:以金属作为原材料3D打印成的饰品(图片来源:百度图片) 

    

  3D打印独具特色   

  与传统加工手段相比,3D打印又具有诸多独到之处。  

    先说说用传统的冲压方式生产一个小型的车用零件拢共要用几步。首先,要有冲压用的模具。这个模具好比月饼印一样,决定了零件的形状。一般是用专门的模具钢制造,硬度高而且韧性好。模具分为上模和下模,上模安装在压力机上,可以以很高的速度压向下模。要加工的材料好比是做月饼的面团,被这么瞬间一压,就变成了模具的形状,之后用车床除去多余的部分,再进行一些研磨抛光一类的机械加工,零件就完成了。  

冲压工艺制成的车用小型零件(图片来源:名古屋丰田博物馆参观纪念)  

      3D打印制作同样的零件又是个什么套路呢?首先,在电脑上绘制好零件的设计图,然后将设计数据导入3D打印机,就可以开始制造零件了。以熔融沉积式3D打印机为例,事先准备好的低熔点线材如塑料,石蜡等经由3D打印机的喷嘴加热后喷出。在电脑的控制下,喷嘴在空间中由低到高逐层进行描画,最后形成零件,基本无须任何的后处理。 

左:某塑料熔融沉积式低端工业用3D打印机,白色线卷即为塑料原料(图片来源:百度图片) 

右:该打印机的喷头部位特写,双喷头设计,可同时打印两种不同塑料(图片来源:百度图片) 

  上面这个例子已经把3D打印最为本质的两个特点反映得很清楚了。首先,3D打印与计算机辅助设计(CAD)以及计算机辅助制造(CAM)密不可分,任何3D打印的零件都要从电脑设计图开始自己的生命历程。假如事先只有图纸,没有电脑可以直接利用的造型数据,也得重新在电脑中建立模型,绘制设计图。 

  其次,3D打印是一种增材制造技术,也就是说与传统的车床机械加工一类减材制造技术不同,产品是由原料直接在空间中堆砌而成。可以把车床机械加工比作石雕,刀斧锤凿齐上阵,最终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,塑造形象的组成部分不断叠加,最终的作品比起最初的泥胚只多不少。有了这迥异于其他前辈的两大特色,3D打印能在机械制造技术的武林之中自立门户也就不足为奇了。  

    

  3D生物打印:移植器官来源的好帮手 

  3D打印技术诞生之后,人们为了解决移植器官来源有限的问题又发明了3D生物打印。因为在现有的医疗手段中,一个器官的获取要以另一个人器官的失去为前提,而主动或被动失去的器官数量又远远少于需要的器官。基于现有打印技术的3D生物打印机使用了生物材料,可以复合细胞、生长因子等活性成分,从而逐层构建活体组织。 

3D生物打印过程(图片来源:百度图片) 

 

  2009年底,Organovo公司制造出第一台3D生物打印机的原型机。研究者在供打印的液态材料中复合从骨髓、脂肪等组织中提取出的干细胞,或不同的活性因子,通过打印头将液体按照一定图案打印在接收平台上。打印头每打印过一层,就会提升一个层高的刻度,继而开始下一层图案的打印,从而逐渐实现人造组织的成型,这一过程类似于普通3D打印在工业应用中的模型制造。 

    

  3D打印在生物领域的应用 

  现在,医用钛合金人工骨,人工关节等已经广泛采用了3D打印技术。首先,通过CT或者核磁共振等成像技术获知患者身体的精确三维结构,然后将数据利用计算机进行处理并完成个性化设计。之后利用3D打印生成独一无二的专属人工骨,极大的提升了患者的治疗质量。  

左:利用3D打印技术制成的人工骨(白色部分)(图片来源:百度图片) 

右:利用3D打印技术制成的隐形牙套(图片来源:百度图片) 

    在口腔医学,尤其是口腔正畸医学界,3D打印也呈现星火燎原之势。时下十分流行的隐形牙套,就无法缺少3D打印技术的支持。该技术利用功能强大的行业软件,精确分析患者经过佩戴正畸牙套后牙齿的移动情况,再配合3D打印技术生产出一系列适应于不同阶段的牙套。这样的隐形牙套不影响美观,对牙齿和口腔伤害很小,并且不影响进食,患者只需要遵照电脑计算的结果定期更换牙套即可。  

    2017年,美国西北大学的一个课题组利用3D打印技术将明胶打印成类似于卵巢组织的结构,然后将从小鼠体内提取出的卵泡和激素生成细胞植入这种明胶骨架,得到3D打印的人工卵巢组织。该人工卵巢在移植入摘除卵巢的小鼠体内后,表现出了功能健全卵巢的特性,可以正常排卵,在小鼠经过多代繁殖后也未见后代异常(图8)。虽然离人工制造组织或者器官这样的人类终极梦想仍然遥远,3D打印还是帮助我们迈出了开拓性的一步。 

左:将明胶用3D打印技术制成与卵巢组织类似的结构(图片来源:百度图片) 

  右:人工卵巢排出的卵子繁殖出的小鼠,利用基因编辑技术,处理植入人工卵巢的卵子,繁殖后的小鼠将通体呈现荧光。绿色荧光作为标记,以便于确定小鼠确实繁殖于该人工卵巢(图片来源:百度图片) 

    

  3D生物打印领域取得大量的科研突破也将使得我们在未来数年内实现3D打印器官和组织的前景越来越清晰,从而最终取代人体器官移植的应用。同时,3D生物打印技术也将被用于制药、美容、食品、服装等多个领域,彻底改变我们的生活。 

    

  (本文中标明来源的图片均已获得授权)

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