神奇的3D打印機(jī)
我們的生活用品都是用機(jī)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(jī)就更復(fù)雜了。但這架小飛機(jī)是用激光燒結(jié)打印機(jī),通過層層打印的方式,造出塑料或金屬結(jié)構(gòu),用“卡扣固定”技術(shù)連接,整架飛機(jī)在幾分鐘內(nèi)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(jī),這種讓設(shè)計(jì)與印刷融為一體的技術(shù),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(shè)計(jì)出了神奇的3D(三維)打印機(jī)。工作時(shí),它那1 000個(gè)噴嘴會(huì)同時(shí)噴出沙子和鎂基膠,形成特定的形狀,最終“打印”出一個(gè)完整的雕塑或模型。迪尼的發(fā)明打開了科學(xué)家的思路:將打印機(jī)里的墨水換成塑料、尼龍、金屬粉,不是說可以按設(shè)計(jì)程序制造出零部件嗎?很快,各式3D打印機(jī)很快就用到了生產(chǎn)上。制造商發(fā)現(xiàn),像飛機(jī)、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(guó)麻省理工學(xué)院用3D打印技術(shù)制作出了一支能夠正常吹奏的長(zhǎng)笛。德國(guó)專業(yè)小提琴制作公司也用3D打印技術(shù)制作出一把斯特拉迪瓦里小提琴的復(fù)制品。它采用了獨(dú)特而復(fù)雜的激光燒結(jié)技術(shù),這種技術(shù)可以讓復(fù)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(guó)和加拿大兩家公司用3D打印技術(shù)制造出一輛汽車。它以電池和汽油作為混合動(dòng)力,不僅環(huán)保,而且安全性高,造價(jià)也不貴。
巧克力打印機(jī)
打印巧克力,2012年1月,在英國(guó)倫敦奧林匹克展覽館舉行的英國(guó)禮品展銷盛會(huì)上,3D巧克力打印機(jī)成了電子產(chǎn)品中的一大亮點(diǎn),吸引了很多商家和人們的眼球。這是英國(guó)?巳卮髮W(xué)研究人員發(fā)明的新型三維打印機(jī),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(shí),先生成一個(gè)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(jī)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(guó)康奈爾大學(xué)的工程師就研制出生產(chǎn)食品的3D打印機(jī),但沒有很好地解決食物原料溶化和凝結(jié)的恰當(dāng)溫度,噴嘴的設(shè)計(jì)也有些問題。而?巳卮髮W(xué)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(xì)血管,挽救器官器質(zhì)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(jì),我國(guó)每年有150萬病人等待器官移植,但有幸排上手術(shù)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(zèng)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(shí)用,科學(xué)家還不能造出毛細(xì)血管,無法給人造組織和器官運(yùn)送氧氣和營(yíng)養(yǎng)。我國(guó)曹誼林教授曾完成了裸鼠背上再生人耳實(shí)驗(yàn),但這種用組織工程方法培養(yǎng)的耳朵,由于缺乏毛細(xì)血管,支撐不了幾周就會(huì)死亡。以現(xiàn)在的生物技術(shù),用病人的干細(xì)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(xué)家們進(jìn)退維谷時(shí),德國(guó)科學(xué)家將3D打印技術(shù)與“雙光子聚合技術(shù)”相結(jié)合,用高分子聚合物制造出了毛細(xì)血管?茖W(xué)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(xì)血管結(jié)構(gòu)。這種人造毛細(xì)血管具有生物的相容性,能與組織相互融合。這項(xiàng)發(fā)明使醫(yī)學(xué)組織工程技術(shù)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(xué)家利用3D打印技術(shù)制成了首個(gè)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?蒲腥藛T通過核磁共振成像(MRI)獲取了病患下顎的準(zhǔn)確形狀,并利用激光燒結(jié)3D打印機(jī)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(shù),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(gè)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(jìn)肌肉連結(jié)的凹痕和孔腔,以及允許下頜神經(jīng)通過的套簡(jiǎn),以增加患者未來可能需要的支撐結(jié)構(gòu)。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(shù)完成之后,患者的下顎迅速恢復(fù)了原來的形狀,吞咽、說話和呼吸功能等也恢復(fù)了正常。通常這種手術(shù)都需要住院15~30天才能完成,而這位病患僅花費(fèi)了4 h就完成了此次下顎移植手術(shù)。與傳統(tǒng)的制造方法相比,3D打印技術(shù)使用的材料更少,生產(chǎn)時(shí)間也更短。
打印皮膚,人體的皮膚展開有2 m2,它使體內(nèi)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(duì)人體是致命的。在治療皮膚損傷或燒傷的病人時(shí),植皮是重要的醫(yī)學(xué)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(shù)感染而死亡。
為解決植皮難題,科學(xué)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(guó)卡羅來納州再生研究所的科學(xué)家則發(fā)明了打印皮膚的技術(shù),將皮膚細(xì)胞直接種在病人的傷口上。這種3D打印機(jī)里放的是細(xì)胞培養(yǎng)液,先通過內(nèi)置的掃描器對(duì)受傷的面積和深度進(jìn)行準(zhǔn)確的掃描,并將得到的信息轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字圖像,再?zèng)Q定需要放置多少層細(xì)胞和多大的面積,才能恢復(fù)成組織原先的結(jié)構(gòu)。皮膚細(xì)胞的組織培養(yǎng)比培養(yǎng)皮膚快,細(xì)胞的活性也好。這種種皮技術(shù)由機(jī)器人在無菌環(huán)境下進(jìn)行,醫(yī)生只需要在旁監(jiān)督調(diào)整即可。直接在病人身上打印皮膚,雖然現(xiàn)在只是實(shí)驗(yàn)成功,但科學(xué)家估計(jì),20年后,它將成為植皮的主流技術(shù)。
打印耳朵,東尼是澳大利亞墨爾本一個(gè)8歲小男孩,他家有一只可愛的牧羊犬。有一天放學(xué)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(jī)制造:通過掃描錄下耳朵的三維信息,打印機(jī)就用硅膠造出一只可以亂真的假耳,不仔細(xì)觀察無法區(qū)別。
想用3D技術(shù)打印出組織結(jié)構(gòu)與真耳一樣的人造耳,這太難了。因?yàn)榭此坪?jiǎn)單的外耳,組織中也有精致的血管和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),科學(xué)家現(xiàn)在僅能打印軟骨。軟骨沒有固定的形狀,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)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(jìn)展,也許不遠(yuǎn)的將來可以在支架上長(zhǎng)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(xué)家們認(rèn)為,即使解決了血管與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jī)走向應(yīng)用的開端,但要真正打印出實(shí)用的器官,還得科學(xué)家們繼續(xù)努力。
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