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物资不够,打印来凑? 3D打印成疫情下的救场奇兵

科普中国-科普融合创作与传播 2020-04-15 作者:大阪大学

  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(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?

  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

  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(图片来源:百度图片)

  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。

  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(图8)。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。

责任编辑:科普云

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