（圖源：doob3d.com）
來(lái)源：科學(xué)媒介中心 程江華 編譯
10月14日，河北工業(yè)大學(xué)通過(guò)3D打印技術(shù)，建造了世界上第一座裝配式3D打印趙州橋，一度引起了公眾的廣泛關(guān)注。
3D打印技術(shù)還有一個(gè)與我們的生活息息相關(guān)的功能——3D自拍，隨著智能手機(jī)的迅速發(fā)展，人們的自拍照已經(jīng)是司空見(jiàn)慣了。與此同時(shí)，3D自拍技術(shù)的研究和發(fā)展開(kāi)始提上了日程。
美國(guó)一家名叫DOOB 3D的公司，通過(guò)利用54個(gè)單反、54個(gè)鏡頭、一個(gè)復(fù)雜的3D建模系統(tǒng)和一臺(tái)價(jià)值8萬(wàn)美元的彩色3D打印機(jī)，就可以打造獨(dú)特的3D自拍。工作人員會(huì)在你擺好姿勢(shì)后，利用所有的攝像機(jī)對(duì)你進(jìn)行幾秒鐘的全身掃描，然后用專有軟件把圖像轉(zhuǎn)換成高分辨率的3D文件。之后，工作人員將會(huì)在生產(chǎn)中心進(jìn)行3D打印，這樣就可以制作出與你極其相似的細(xì)節(jié)雕像啦！
那么，3D打印作為一種新興的技術(shù)，一種全新的、顛覆傳統(tǒng)的模式，到底有什么特別之處呢？
揭開(kāi)3D打印的神秘面紗
3D打印始于20世紀(jì)80年代初，3D打印機(jī)雖然和普通打印機(jī)工作原理基本相同，但是打印材料卻不同。普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料。
3D打印機(jī)與電腦連接后，通過(guò)電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。也就是說(shuō)，3D打印機(jī)是一種可以“打印”出真實(shí)3D物體的設(shè)備。
如今，最常見(jiàn)的方法是利用光將液體塑料樹(shù)脂一層一層地固化成固體。當(dāng)?shù)谝粚訕?shù)脂固化成固體并從打印機(jī)中抽出后，投影儀會(huì)把圖案照亮在新的一層樹(shù)脂上，該層繼續(xù)固化并與第一層連接，多次重復(fù)該過(guò)程便可得到想要打印的產(chǎn)品。
另外，利用3D生物打印這項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)家可以將凝膠支撐槽中的膠原蛋白一層一層地疊加，通過(guò)加熱把支撐槽融化，從而打印出一個(gè)完好的器官。與大多數(shù)傳統(tǒng)制造工藝相比，3D打印機(jī)的精確度足以制造出復(fù)雜得多的設(shè)計(jì)。
兩種新型的3D打印機(jī)
2016年2月16日，美國(guó)維克森林大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Anthony Atala和他的研究團(tuán)隊(duì)利用改進(jìn)版的生物打印機(jī)，通過(guò)把細(xì)胞和可生物降解的聚合物材料一起打印，解決了普通3D生物打印機(jī)的打印產(chǎn)物在結(jié)構(gòu)上不穩(wěn)定的問(wèn)題。
此外，他們還在打印構(gòu)建體的設(shè)計(jì)中融合了微通道，從而使養(yǎng)分和氧氣能夠輸送到打印產(chǎn)物的任何部位的細(xì)胞中，這樣就可以打印出符合人體尺寸且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的任何形狀的組織。
利用改進(jìn)版的生物打印機(jī)打印的完整的耳朵結(jié)構(gòu)（圖源：cosmosmagazine.com）
加州大學(xué)伯克利分校的研究人員于2019年1月31日在《科學(xué)》雜志發(fā)表文章稱，他們研制出一種新型3D打印機(jī)，比傳統(tǒng)的3D打印機(jī)打印出的產(chǎn)品表面更平滑、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，可以利用光線來(lái)塑造物體的形狀，實(shí)現(xiàn)液體光固化打印。
傳統(tǒng)的3D打印機(jī)是逐層構(gòu)建打印對(duì)象，因此產(chǎn)品邊緣并不平滑，同時(shí)也難以生產(chǎn)柔性物體。而新型打印機(jī)的樹(shù)脂是由液體聚合物與光敏分子、溶解氧混合而成，當(dāng)液體暴露于特定的光閾值時(shí)會(huì)激活光敏化合物，同時(shí)消耗氧氣。在氧氣耗盡的區(qū)域內(nèi)，聚合物會(huì)形成“交聯(lián)”，從而將樹(shù)脂從液體變成固體。該技術(shù)幾乎不產(chǎn)生廢料，未固化的材料可以100%重復(fù)使用，這也是3D打印的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。
利用新型3D打印機(jī)創(chuàng)造的羅丹的“思想者”模型（圖源：eurekalert.org）
3D打印人體器官
9月9日，哈佛大學(xué)的研究人員在《科學(xué)進(jìn)展》雜志發(fā)表的一篇文章稱，他們發(fā)明了一種3D打印人體組織的新技術(shù)，即犧牲性寫入功能組織（Sacrificial Writing into Functional Tissue， SWIFT）。SWIFT通過(guò)將血管通道打印到由干細(xì)胞衍生器官構(gòu)建塊（organ building blocks，OBB）組成的活體基質(zhì)中，克服了3D打印器官任務(wù)中不能將氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)注入血管通道的這一主要障礙。
SWIFT過(guò)程可以分為兩步，首先讓數(shù)十萬(wàn)個(gè)來(lái)自成體誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞所衍生的聚集體，形成一個(gè)密集的OBB生命基質(zhì)，每毫升含有2億個(gè)細(xì)胞，并且細(xì)胞密度與人體器官的密度很相似。然后使用3D打印機(jī)，利用基質(zhì)的粘性打印出一個(gè)可灌流的通道網(wǎng)絡(luò)，該通道網(wǎng)絡(luò)可以作為模擬的血管來(lái)支持器官，這樣就可以將氧氣和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送到嵌入基質(zhì)內(nèi)的細(xì)胞中。
此外，研究人員還特別制作了一個(gè)楔形的心臟組織，并利用SWIFT這項(xiàng)新技術(shù)在上面打印了一個(gè)主冠狀動(dòng)脈及其分支的復(fù)制品，這個(gè)長(zhǎng)度僅有1.5厘米的迷你心臟獨(dú)自跳動(dòng)了一個(gè)多星期。
1.5厘米的迷你心臟（圖源：cosmosmagazine.com）
3D打印的未來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)
今天的3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、軍事、地理、藝術(shù)品制造、教育、醫(yī)療和體育領(lǐng)域，這一技術(shù)在各領(lǐng)域迅速地發(fā)展。
雖然3D打印在成本、打印材料、精度、速度和效率以及政策監(jiān)管、倫理道德等方面還面臨種種問(wèn)題和挑戰(zhàn)，但我們相信隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，3D打印技術(shù)將極大地改變已有的傳統(tǒng)加工制造業(yè)，并且在未來(lái)還將呈現(xiàn)出不斷深化、不斷擴(kuò)大應(yīng)用的態(tài)勢(shì)！
參考文獻(xiàn)：
https：//cosmosmagazine.com/technology/the-3d-selfie-yes-that-s-now-a-thing
https：//cosmosmagazine.com/technology/new-bioprinter-produces-life-sized-living-tissue
https：//cosmosmagazine.com/biology/a-new-approach-to-3d-printing-human-organs
