[科普中國]-物資不夠，打印來湊？ 3D打印成疫情下的救場奇兵

隨著新冠疫情在世界的持續(xù)蔓延，多個包括美國、意大利等疫情重災(zāi)區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了衛(wèi)生醫(yī)療用品緊缺的問題，口罩、呼吸機以及用于檢測的鼻拭子和咽拭子等必備用品已經(jīng)供不應(yīng)求。

危急時刻，3D 打印技術(shù)已經(jīng)成為一支拯救生命的奇兵。上周，一個由南佛羅里達(dá)大學(xué)、哈佛大學(xué)、斯坦福大學(xué)等機構(gòu)組成的聯(lián)盟宣布，他們已經(jīng)與美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）協(xié)商，制定了生產(chǎn)3D 打印測試樣本的通用指南。同時，一家位于馬薩諸塞州薩默維爾市的 3D 打印技術(shù)開發(fā)商和制造商Formlabs，將在俄亥俄州的工廠投入 250 臺打印機，用于生產(chǎn)新冠病毒測試的鼻拭子。

3D 打印鼻拭子用于新冠病毒測試（來源：Formlabs）

其實，3D打印在中國抗擊新冠疫情中也貢獻了力量。上海市一家科技企業(yè)運用3D打印技術(shù)，“打印”隔離病房馳援湖北。湖南一家集團用3D技術(shù)生產(chǎn)了一批醫(yī)用護目鏡馳援抗疫一線，它的重量只有普通護目鏡的四分之三，同時還可根據(jù)個人面部數(shù)據(jù)實現(xiàn)私人化定制。

3D技術(shù)“打印”的隔離病房圖片來源：中新網(wǎng)

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)計和生產(chǎn)過程。現(xiàn)在通用的各3D打印技術(shù)，在當(dāng)時基本上都已經(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”。舉個大家都容易看懂的例子：一個人做一個柜子那是需要很長時間，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，然后找個人將積木按照一定的形狀堆積起來，再一粘就是了——前提是他能看懂說明書。

圖片來源：veer圖庫

3D打印獨具特色

與傳統(tǒng)加工手段相比，3D打印又具有諸多獨到之處。

先說說用傳統(tǒng)的沖壓方式生產(chǎn)一個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，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，再進行一些研磨拋光一類的機械加工，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什么套路呢？首先，在電腦上繪制好零件的設(shè)計圖，然后將設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機，就可以開始制造零件了。

以熔融沉積式3D打印機為例，事先準(zhǔn)備好的低熔點線材如塑料，石蠟等經(jīng)由3D打印機的噴嘴加熱后噴出。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，白色線卷即為塑料原料（圖片來源：百度圖片）

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

上面這個例子已經(jīng)把3D打印最為本質(zhì)的兩個特點反映得很清楚了。首先，3D打印與計算機輔助設(shè)計（CAD）以及計算機輔助制造（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?？梢园衍嚧矙C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打印能在機械制造技術(shù)的武林之中自立門戶也就不足為奇了。

3D打印技術(shù)，生物材料也能打印出來

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。因為在現(xiàn)有的醫(yī)療手段中，一個器官的獲取要以另一個人器官的失去為前提，而主動或被動失去的器官數(shù)量又遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于需要的器官?；诂F(xiàn)有打印技術(shù)的3D生物打印機使用了生物材料，可以復(fù)合細(xì)胞、生長因子等活性成分，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3D生物打印機的原型機。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上。打印頭每打印過一層，就會提升一個層高的刻度，繼而開始下一層圖案的打印，從而逐漸實現(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打印在其他生物領(lǐng)域的應(yīng)用也很廣。

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)利用計算機進行處理并完成個性化設(shè)計。之后利用3D打印生成獨一無二的專屬人工骨，極大的提升了患者的治療質(zhì)量。

2017年，美國西北大學(xué)的一個課題組利用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想仍然遙遠(yuǎn)，3D打印還是幫助我們邁出了開拓性的一步。

3D打印，未來可期。