三维打印开启全新科研世界.doc

时间就是金钱，效率就是生命！三维打印开启全新科研世界张文韬/编译三维打印分子模型克里斯托弗佐里科夫（Christoph Zollikofer）是第一个见证了古尼安德特人出生的现代人。2007年，在瑞士苏黎世大学佐里科夫的人类学实验室里，伴随呼呼作响的马达声和飞溅的塑料，经过20个小时“无痛分娩”，一个尼安德特人新生儿的头骨从一台复印机大小的机器里“出生”。这一现代奇迹经过了漫长的“怀孕”过程：佐里科夫的合作者们花了几年时间找到合适的尼安德特人新生儿的头骨，经过计算机断层摄影分析（CT），在计算机屏幕上把数字影像拼接起来。不过，“分娩”的过程倒是很简单：佐里科夫在实验室里用价值5万美元的三维（3D）打印机进行打印。作为3D打印应用的先驱，佐里科夫在20年前开始跟它的原型打交道，当时这种打印技术需要有毒的材料和溶液，而且非常昂贵，这限制了其在科学领域的应用。现如今，更新式廉价的技术层出不穷。喷墨打印机是一行行地在纸上喷墨，与之类似，多数现代三维打印装置是将某种材料（主要是塑料）一层层地喷洒在某一面上，从而塑造出形状。还有一些方式，借助紫外线或红外线激光束使液态塑料凝固成形。这种方法能够打印任何复杂形状，有时需要借助临时的支架，最后把它们溶解掉或剥落。美国科罗拉多州佛特柯林斯公司的顾问和市场分析师特里沃勒斯（Terry Wohlers）说，目前，供个人使用的设备价格降到了500美元，不过工业系统的设备均价还是达到了73 000美元。他说，去年全世界将近出售了3万个打印机，其中价格在1万5到3万美元之间的设备，三分之一被学术机构购入。早期用户使用这种技术来研究复杂的分子、打造定制的实验室工具、共享稀有的手工制品、甚至打印能像心脏一样跳动的心脏组织。在古生物学和人类学会议上，越来越多的科学家展示了打印的化石或骨头，那都是他们特别钟爱的。“想成为人类学家的任何人都需要正确的电脑绘图和三维打印机。否则就像遗传学家没有测序仪。”佐里科夫说。较之传统方法，三维打印能让人们更深刻地了解研究对象。例如，尼安德特人新生儿化石是相当罕见的，所以佐里科夫不想冒险用常用的石膏铸造法来复制这一易碎的标本。而用打印的方法，佐里科夫就可以研究尼安德特人的出生情况。根据新生儿的头骨，他打印出一个尼安德特人成年女性的骨盆，逐步重新演示了分娩过程。一些研究学者曾经推测，尼安德特人的宽大臀部使她们比现代女性更容易分娩，但是佐里科夫的实验显示，尼安德特人新生儿较大的头骨抵消了这一优势。像现代人一样，为了出生后能迅速发育，尼安德特人在出生时可能有最大的头部和脑部。在研究中，佐里科夫反复对比打印出的实际模型和电脑中的虚拟模型。研究学者们能在电脑上把骨头碎片拼接起来，化石不会在重力作用下跌落在地。虽然电脑模型在计算容量或拼接骨头碎片上表现出色，但对于这样的虚拟样品，佐里科夫认为：“你失去了对它的触感，甚至是化石大小的概念。”他补充说，实体模型更有利于碎片的拼接。打印好的尼安德特人新生儿头骨（左）和成年尼安德特人头骨分子模型化学家和分子生物学家已经长期使用模型来建立直观的分子结构，用以理解X射线晶体衍射和结晶学数据。就像1953年詹姆斯沃森（James Watson）弗朗西斯克里克（Francis Crick）在DNA的结构上开创性的发现，是通过小球和棍组成可以弯曲的模型得到的。在加州拉霍亚，30年前建立斯克里普斯研究中心分子图形实验室的亚瑟奥尔森（Arthur Olson）说，现在，三维打印技术正在被用来模拟复杂得多的系统。要模拟由成千上万个相互作用的蛋白构成的分子环境，只有三维打印可以完成这超乎想象的繁重工作。奥尔森指出，使用三维打印机，“任何人都可以制作其需要的特定模型。”但是并非人人都能做到：很多研究学者缺少打印机，或者根本不知道有这种方法，还有的不能负担至少100美元的打印费用。奥尔森还表示，这些模型能带来重要的发现。当他为同事打印出一个蛋白模型时，他发现蛋白内部有一条弯曲的隧道。这种情况在电脑屏幕上不可能看得很清楚，但一阵空气从模型的一侧吹到另一侧，我们就能得知。确定这条隧道的长度能帮助科学家们研究它是否、或如何参与分子转运。在电脑上科学家需要一些新的代码，而借助模型，只需要一根线就能解决。奥尔森说，电脑软件能让研究人员在电脑屏幕上对分子结构进行扭曲和转向。尽管这非常有用，但还不够。即使最先进的软件也会犯将两个原子放在同一位点这样的错误。在电脑里把不同分子联接起来是个苦差事，计算机处理每一次分子的转动都会花费大量的时间，而且需要研究人员绞尽脑汁去解释每张图片。不过，如果有了实际的模型，这就更像是一场游戏了。奥尔森说：“我不用去想，只是去做就好了。”奥尔森现在致力于把三维打印模型的触觉优势与电脑的运算能力相结合：他在打印模型上贴上可供网络摄像头识别的纸片标签，创造出一个“超现实”的场景。通过这种方式，用户可以用实际模型开展工作，同时用电脑研究如特定分子排列的势能等问题。奥尔森还期待，利用打印机可以更方便地实现刚性和可弯曲材料的互换，以便更好地重现蛋白折叠这类的分子行为。细胞母体打印机的“墨水”并不局限于塑料。生物学家一直在尝试打印人体细胞，包括单细胞和自然形成的多细胞团。他们应用这些技术已经成功地制造出了血管和搏动的心脏组织。不过就算证实打印细胞是可行的，要想实现打印器官的终极梦想还为时尚早。但是，就眼前来说，研究人员发现，打印出的三维细胞结构比平板培养的更贴近生命的真实状况。例如，总部在加州圣迭戈的Organovo公司发明了一种打印机，能制作三维的组织结构来进行药物测试。到目前为止已经建立的最高级的模型是纤维化，即一个器官内的内部细胞和它的外层相互作用，形成过度纤维化的疤痕组织。该公司的下一步计划是在这一系统中测试药物。“可能将来会有更多的途径测试药物，但是三维打印确实是个好方法。”Organovo公司首席执行官（CEO）和化学工程师基思墨菲（Keith Murphy）说。其他小组正在利用三维打印专用的塑料或胶原蛋白构建可供细胞生长的支架。在马里兰州盖瑟斯堡，美国国家标准与技术研究所生物材料小组的生物学家卡尔西蒙（Carl Simon）表示，支架的形状能决定细胞怎样生长，干细胞如何分化成不同的细胞类型。有了三维打印机，研究学者们就有了相当可控的方法来寻找效果最好的支架。不过还有一个问题，大多数三维打印机分辨率只能达到数十到数百微米级，而细胞能感知的差异达到单微米级别。如今顶级的打印机使用波长非常短的激光爆裂来切削塑料，能达到100纳米分辨率，英国谢菲尔德大学从事三维打印的工程师尼尔霍普金斯（Neil Hopkinson）说，但这“在我们的实验室还是不够”。1.一层一层将有色胶水依照的位置涂抹在置于画布薄薄的石膏粉层上2.打印完成后，他们用刷子或空气喷头将散落的石膏粉除去3.刚打印出来的物体非常脆弱,因此要用环氧固化剂或蜡做强化剂4.一个完成的打印品：DNA结合蛋白的模型研究实验室使用许多类型的三维打印机来制作各种各样的模型，从化石复制品到跳动的心脏细胞组织，在加州拉霍亚，斯克里普斯研究所的亚瑟.奥尔森研究团队生产的分子模型,以上展示了他们的打印过程定制工具与此同时，研究人员逐渐能够开始使用基本的塑料三维打印机来打造自己的特定工具。英国格拉斯哥大学的化学家勒罗伊克罗宁（Leroy Cronin）今年的发明引起轰动，他发明了“反应件”打印出的小规模化学反应塑料容器。克罗宁花2 000美元买来了商用打印机，用硅树脂密封胶、催化剂和反应物取代了原有的墨水，从而使整个化学反应都可以打印出来。他表示，关键在于如何让这种技术得到广泛的接受。他的论文声称，反应件可能被用来产生新的化学物质或满足微量的特定药品需求。现在，其他化学家们只把这个方法视为巧妙鬼把戏，对其真正的应用拭目以待。其他领域的研究学者则马上找到了这一技术更直接的应用。菲力浦巴维耶（Philippe Baveye），纽约州特洛伊市伦斯勒理工学院的环境工程师，使用三维打印技术制造渗透仪（测量土壤中水的流动的装置）的定制部件。一般的商用设备只能适应日常工作，为了更精确的研究他常常不得不设计制作自己所需的部件，在车床上花上几个小时。而打印就容易多了。或许更重要的是，巴维耶只需通过发布设计文件，就能让他的产品得到分享。“能够复制文献中所描述的实验，这一想法呈现出新的意义。”他说。其他