3D打印技术能打印出什么？不只模具，还有器官…

（图源：doob3d.com）

来源：科学媒介中心 程江华 编译

10月14日，河北工业大学通过3D打印技术，建造了世界上第一座装配式3D打印赵州桥，一度引起了公众的广泛关注。

3D打印技术还有一个与我们的生活息息相关的功能——3D自拍，随着智能手机的迅速发展，人们的自拍照已经是司空见惯了。与此同时，3D自拍技术的研究和发展开始提上了日程。

美国一家名叫DOOB 3D的公司，通过利用54个单反、54个镜头、一个复杂的3D建模系统和一台价值8万美元的彩色3D打印机，就可以打造独特的3D自拍。工作人员会在你摆好姿势后，利用所有的摄像机对你进行几秒钟的全身扫描，然后用专有软件把图像转换成高分辨率的3D文件。之后，工作人员将会在生产中心进行3D打印，这样就可以制作出与你极其相似的细节雕像啦！

那么，3D打印作为一种新兴的技术，一种全新的、颠覆传统的模式，到底有什么特别之处呢？

揭开3D打印的神秘面纱

3D打印始于20世纪80年代初，3D打印机虽然和普通打印机工作原理基本相同，但是打印材料却不同。普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料。

3D打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。也就是说，3D打印机是一种可以“打印”出真实3D物体的设备。

如今，最常见的方法是利用光将液体塑料树脂一层一层地固化成固体。当第一层树脂固化成固体并从打印机中抽出后，投影仪会把图案照亮在新的一层树脂上，该层继续固化并与第一层连接，多次重复该过程便可得到想要打印的产品。

另外，利用3D生物打印这项技术，科学家可以将凝胶支撑槽中的胶原蛋白一层一层地叠加，通过加热把支撑槽融化，从而打印出一个完好的器官。与大多数传统制造工艺相比，3D打印机的精确度足以制造出复杂得多的设计。

两种新型的3D打印机

2016年2月16日，美国维克森林大学医学院的Anthony Atala和他的研究团队利用改进版的生物打印机，通过把细胞和可生物降解的聚合物材料一起打印，解决了普通3D生物打印机的打印产物在结构上不稳定的问题。

此外，他们还在打印构建体的设计中融合了微通道，从而使养分和氧气能够输送到打印产物的任何部位的细胞中，这样就可以打印出符合人体尺寸且结构稳定的任何形状的组织。

利用改进版的生物打印机打印的完整的耳朵结构（图源：cosmosmagazine.com）

加州大学伯克利分校的研究人员于2019年1月31日在《科学》杂志发表文章称，他们研制出一种新型3D打印机，比传统的3D打印机打印出的产品表面更平滑、结构更复杂，可以利用光线来塑造物体的形状，实现液体光固化打印。

传统的3D打印机是逐层构建打印对象，因此产品边缘并不平滑，同时也难以生产柔性物体。而新型打印机的树脂是由液体聚合物与光敏分子、溶解氧混合而成，当液体暴露于特定的光阈值时会激活光敏化合物，同时消耗氧气。在氧气耗尽的区域内，聚合物会形成“交联”，从而将树脂从液体变成固体。该技术几乎不产生废料，未固化的材料可以100%重复使用，这也是3D打印的另一个优势。

利用新型3D打印机创造的罗丹的“思想者”模型（图源：eurekalert.org）

3D打印人体器官

9月9日，哈佛大学的研究人员在《科学进展》杂志发表的一篇文章称，他们发明了一种3D打印人体组织的新技术，即牺牲性写入功能组织（Sacrificial Writing into Functional Tissue， SWIFT）。SWIFT通过将血管通道打印到由干细胞衍生器官构建块（organ building blocks，OBB）组成的活体基质中，克服了3D打印器官任务中不能将氧气和营养物质注入血管通道的这一主要障碍。

SWIFT过程可以分为两步，首先让数十万个来自成体诱导的多能干细胞所衍生的聚集体，形成一个密集的OBB生命基质，每毫升含有2亿个细胞，并且细胞密度与人体器官的密度很相似。然后使用3D打印机，利用基质的粘性打印出一个可灌流的通道网络，该通道网络可以作为模拟的血管来支持器官，这样就可以将氧气和其他营养物质输送到嵌入基质内的细胞中。

此外，研究人员还特别制作了一个楔形的心脏组织，并利用SWIFT这项新技术在上面打印了一个主冠状动脉及其分支的复制品，这个长度仅有1.5厘米的迷你心脏独自跳动了一个多星期。

1.5厘米的迷你心脏（图源：cosmosmagazine.com）

3D打印的未来发展态势

今天的3D打印技术已广泛应用于航空航天、汽车制造、军事、地理、艺术品制造、教育、医疗和体育领域，这一技术在各领域迅速地发展。

虽然3D打印在成本、打印材料、精度、速度和效率以及政策监管、伦理道德等方面还面临种种问题和挑战，但我们相信随着社会的不断发展和科学技术的进步，3D打印技术将极大地改变已有的传统加工制造业，并且在未来还将呈现出不断深化、不断扩大应用的态势！

参考文献：

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