物资不够，打印来凑？ 3D打印成疫情下的救场奇兵

本文来自微信公众号：中国科普博览（ID：kepubolan），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

随着新冠疫情在世界的持续蔓延，多个包括美国、意大利等疫情重灾区已经出现了卫生医疗用品紧缺的问题，口罩、呼吸机以及用于检测的鼻拭子和咽拭子等必备用品已经供不应求。

危急时刻，3D 打印技术已经成为一支拯救生命的奇兵。上周，一个由南佛罗里达大学、哈佛大学、斯坦福大学等机构组成的联盟宣布，他们已经与美国食品药品监督管理局（FDA）协商，制定了生产3D 打印测试样本的通用指南。同时，一家位于马萨诸塞州萨默维尔市的 3D 打印技术开发商和制造商Formlabs，将在俄亥俄州的工厂投入 250 台打印机，用于生产新冠病毒测试的鼻拭子。

3D 打印鼻拭子用于新冠病毒测试  图片来源：Formlabs

其实，3D打印在中国抗击新冠疫情中也贡献了力量。上海市一家科技企业运用3D打印技术，“打印”隔离病房驰援湖北。湖南一家集团用3D技术生产了一批医用护目镜驰援抗疫一线，它的重量只有普通护目镜的四分之三，同时还可根据个人面部数据实现私人化定制。

3D技术“打印”的隔离病房  图片来源：中新网

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？  

Part.1 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JimBredt和TimAnderson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——前提是他能看懂说明书。

图片来源：veer图库

Part.2 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

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。 

Part.3 3D打印技术，生物材料也能打印出来

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打印在其他生物领域的应用也很广。

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。 

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。

科学家用镊子夹着一片凝胶状的小鼠卵巢生物假体  图片来源：央广网

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。

3D打印，未来可期。

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