神奇的3D打印機

    我們的生活用品都是用機器制造的，從原材料到產(chǎn)品成型，要經(jīng)過一道道工序，要制造出一架飛機就更復雜了。但這架小飛機是用激光燒結打印機，通過層層打印的方式，造出塑料或金屬結構，用“卡扣固定”技術連接，整架飛機在幾分鐘內完成組裝，不要任何工具。

    自電腦問世后，1984年，惠普公司的工程師發(fā)明了噴墨打印機，這種讓設計與印刷融為一體的技術，給人們的工作和生活帶來了方便。2010年，一位名叫恩里科·迪尼的發(fā)明家設計出了神奇的3D（三維）打印機。工作時，它那1 000個噴嘴會同時噴出沙子和鎂基膠，形成特定的形狀，最終“打印”出一個完整的雕塑或模型。迪尼的發(fā)明打開了科學家的思路：將打印機里的墨水換成塑料、尼龍、金屬粉，不是說可以按設計程序制造出零部件嗎？很快，各式3D打印機很快就用到了生產(chǎn)上。制造商發(fā)現(xiàn)，像飛機、汽車上的掛鉤等一些產(chǎn)品，用打印制造比傳統(tǒng)造法更快、更省錢。

    美國麻省理工學院用3D打印技術制作出了一支能夠正常吹奏的長笛。德國專業(yè)小提琴制作公司也用3D打印技術制作出一把斯特拉迪瓦里小提琴的復制品。它采用了獨特而復雜的激光燒結技術，這種技術可以讓復制品看起來更加接近手工制品的水平，但使用的原料是工業(yè)聚合物，而不是木材。2011年11月，美國和加拿大兩家公司用3D打印技術制造出一輛汽車。它以電池和汽油作為混合動力，不僅環(huán)保，而且安全性高，造價也不貴。

巧克力打印機

    打印巧克力，2012年1月，在英國倫敦奧林匹克展覽館舉行的英國禮品展銷盛會上，3D巧克力打印機成了電子產(chǎn)品中的一大亮點，吸引了很多商家和人們的眼球。這是英國�？巳�特大學研究人員發(fā)明的新型三維打印機，它的墨盒里裝的不是墨水，而是不同色彩的液態(tài)巧克力。打印時，先生成一個平面的橫截圖，然后用巧克力液一層層打印，好像將平面的紙鋪疊，堆成三維的立體形狀。印完一層，等它凝固后，機器才噴第二層，不像傳統(tǒng)制作一次成型，速度不是很快。早在2010年，美國康奈爾大學的工程師就研制出生產(chǎn)食品的3D打印機，但沒有很好地解決食物原料溶化和凝結的恰當溫度，噴嘴的設計也有些問題。而�？巳�特大學的發(fā)明解決了這些難題，使3D打印用于餐館和食品加工成為可能。

一位面部燒傷者的硅膠面具

    打印毛細血管，挽救器官器質性病變者的生命，目前最有效的辦法是器官移植。據(jù)統(tǒng)計，我國每年有150萬病人等待器官移植，但有幸排上手術的只有約1萬人，大多數(shù)病人都在等待中死去。原因之一是受傳統(tǒng)觀念的影響，意外死亡后捐贈器官的人很少，器官不夠用；二是用組織工程培養(yǎng)的器官還不能實用，科學家還不能造出毛細血管，無法給人造組織和器官運送氧氣和營養(yǎng)。我國曹誼林教授曾完成了裸鼠背上再生人耳實驗，但這種用組織工程方法培養(yǎng)的耳朵，由于缺乏毛細血管，支撐不了幾周就會死亡。以現(xiàn)在的生物技術，用病人的干細胞培養(yǎng)出組織和一些器官并不難，難的是如何在組織和器官中布局神經(jīng)和血管。

    就在醫(yī)學家們進退維谷時，德國科學家將3D打印技術與“雙光子聚合技術”相結合，用高分子聚合物制造出了毛細血管。科學家用高功率激光讓聚合物分子按程序重組，成為一塊有彈性的固體后，再合成高精度的彈性毛細血管結構。這種人造毛細血管具有生物的相容性，能與組織相互融合。這項發(fā)明使醫(yī)學組織工程技術如虎添翼，也將給需要器官移植的患者帶來福音。

    打印下顎，荷蘭的科學家利用3D打印技術制成了首個完整的鈦基下顎，并成功將其移植給了一位83歲的老婦。這名女性患者因患有骨髓炎，損壞了下顎的正常功能。科研人員通過核磁共振成像（MRI）獲取了病患下顎的準確形狀，并利用激光燒結3D打印機熔化鈦微粒，使其一層層融合，直至重塑出病患下顎的模型，卻無需使用任何黏合劑。這種名為“附加生產(chǎn)”的技術，利用高精度激光束連續(xù)熔化很薄的鈦金屬粉末來制造器官。每層鈦粉末都與上一層的截面黏合。1 mm厚度需要熔化33層鈦金屬粉末，而制造整個下顎則需要熔化數(shù)千層鈦粉末。制成的下顎上面甚至還帶有可促進肌肉連結的凹痕和孔腔，以及允許下頜神經(jīng)通過的套簡，以增加患者未來可能需要的支撐結構。其外面也覆蓋了與生物相容的陶瓷層，以便它附著于患者的面部。

    人工下顎重約107 g，雖然要比天然下顎重1/3，但病人使用起來并不困難。手術完成之后，患者的下顎迅速恢復了原來的形狀，吞咽、說話和呼吸功能等也恢復了正常。通常這種手術都需要住院15~30天才能完成，而這位病患僅花費了4 h就完成了此次下顎移植手術。與傳統(tǒng)的制造方法相比，3D打印技術使用的材料更少，生產(chǎn)時間也更短。

    打印皮膚，人體的皮膚展開有2 m2，它使體內環(huán)境和體外環(huán)境隔開，是人體的屏障。一旦皮膚被大面積損傷，對人體是致命的。在治療皮膚損傷或燒傷的病人時，植皮是重要的醫(yī)學手段。但很多皮膚被大面積燒傷的病人不是由于沒有皮膚來源，就是由于手術感染而死亡。

    為解決植皮難題，科學家發(fā)明了自體皮膚再生培養(yǎng)法，并發(fā)明了人工皮。而美國卡羅來納州再生研究所的科學家則發(fā)明了打印皮膚的技術，將皮膚細胞直接種在病人的傷口上。這種3D打印機里放的是細胞培養(yǎng)液，先通過內置的掃描器對受傷的面積和深度進行準確的掃描，并將得到的信息轉化為三維數(shù)字圖像，再決定需要放置多少層細胞和多大的面積，才能恢復成組織原先的結構。皮膚細胞的組織培養(yǎng)比培養(yǎng)皮膚快，細胞的活性也好。這種種皮技術由機器人在無菌環(huán)境下進行，醫(yī)生只需要在旁監(jiān)督調整即可。直接在病人身上打印皮膚，雖然現(xiàn)在只是實驗成功，但科學家估計，20年后，它將成為植皮的主流技術。

    打印耳朵，東尼是澳大利亞墨爾本一個8歲小男孩，他家有一只可愛的牧羊犬。有一天放學后，東尼一如既往地與狗親熱，牧羊犬不知怎么地一口咬掉了他的左耳。破裂的耳朵已無法接上，醫(yī)生只得將傷口處理包扎，并給東尼裝了一只硅膠假耳�，F(xiàn)在的硅膠假耳，可以用3D打印機制造：通過掃描錄下耳朵的三維信息，打印機就用硅膠造出一只可以亂真的假耳，不仔細觀察無法區(qū)別。

    想用3D技術打印出組織結構與真耳一樣的人造耳，這太難了。因為看似簡單的外耳，組織中也有精致的血管和神經(jīng)網(wǎng)絡，科學家現(xiàn)在僅能打印軟骨。軟骨沒有固定的形狀，結構相對簡單，血管也很少。用生物工程的方法培養(yǎng)器官，已取得很大的進展，也許不遠的將來可以在支架上長出一只活的人耳。用打印的方法生產(chǎn)人耳可以瞬間生成，吸引力很大。但科學家們認為，即使解決了血管與神經(jīng)網(wǎng)絡與其他組織的同步打印，能生產(chǎn)出一只活的人耳，怎樣與傷口的血管和神經(jīng)相連，這也是一大難題。打印耳朵是生物打印機走向應用的開端，但要真正打印出實用的器官，還得科學家們繼續(xù)努力。

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本文標題：神奇的3D打印術

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