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三維打印機正悄然開啟新的科研領域

2012-07-26 14:01 來源:科技日報 責編:王岑

摘要:
目前,與3D打印技術有關的報道不時見諸報端,據報道,人們已經使用三維打印機打印出了飛機模型、口味與日常食用肉相接近的肉類產品等。
  
  然而,奧爾森表示,這些模型會為科學研究提供重要的信息。當他為一個同事打印出一個蛋白質,他們發現,該蛋白質周圍有一個了彎曲的空白空間“通道”從中穿過。在計算機屏幕上,這個導管很難發現,但是,他們發現,從模型一邊吹進的氣流從另一邊出來,才知道這個通道的存在。確定這種通道的長度將有助于更好地了解這些通道以及它們如何運輸分子。在計算機上做這些事情可能需要編寫很多新代碼才能完成,但使用這種打印出來的模型,一串字符就可以搞定。
  
  奧爾森表示,讓科學家們在計算機屏幕上扭曲和轉動這樣的結構的軟件非常有用。但是,僅有這些軟件還不夠。即使最先進的軟件也會讓兩個原子占據同樣的空間。在計算機內對分子進行修修補補是一份苦差事,每次將物體轉動后,計算機都需要花費很長時間才能重新繪制出物體,另外,解釋這些圖片也需要耗費精力。但胡亂擺動一個打印出的物理模型就像玩游戲一樣。奧爾森表示:“我不需要想很多其它事情,我只需要擺動就會有所發現。”
  
  現在,奧爾森正試圖讓三維打印技術的觸覺優勢和計算機強大的計算能力“雙劍合璧”,打印出自己想要的研究材料。他已經使用小的標簽紙給打印出來的模型貼上了標簽,網絡攝像頭可以識別出這些標簽,制造出了一個“增強現實”的圖景。采用這種方式,用戶能夠把玩該物理模型,同時使用計算機探測其他方面,諸如獲得給定分子排列的勢能等。奧爾森也希望使用能夠更容易在堅硬的材料和可彎曲材料之間游刃有余切換的打印機,以便更好地復制諸如蛋白質折疊等分子行為。
  
  打印出適合細胞發育的支架
  
  三維打印機的打印“墨水”并不局限于塑料。生物學家們一直在嘗試用打印機打印出人體細胞或單個細胞或能夠自然結合在一起的多細胞團。這些技術已經成功地制造出了血管和能夠跳動的心臟組織。實現真的可以打印出起作用的器官這一終極夢想可能還有很長的路要走。但從短期來看,科學家們看到了打印出比在實驗室培養皿中培育出來的普通結構更具生命特征的三維細胞結構的潛力。
  
  由美國Organovo公司研制的三維生物打印機如今已可以制造動脈,開發者稱由這種設備“打印”的動脈最早有望在5年內用于心臟搭橋手術。目前,這家公司研發出了一臺能制造出三維組織結構的三維打印機,打印出的結構能被用來測試藥物。迄今為止,它制造出來的最先進的模型用于研究纖維化病癥。纖維化可發生于多種器官,主要病理改變為器官組織內纖維結締組織增多,實質細胞減少,持續進展可致器官結構破壞和功能減退,乃至衰竭,嚴重威脅人類健康和生命。公司下一步的目標是在這一系統上測試藥物。該公司的首席執行官、化學工程師基斯·墨菲表示:“三維打印機或許并非是完成這一目標的唯一方式,但它確是一種好的方法。”
  
  目前,其他科研團隊正使用三維打印機,利用塑料或者膠原蛋白作為原料,打印出細胞能在其上發育的支架。美國國家標準與技術研究院生物材料團隊的生物學家卡爾·西蒙表示,這種支架的形狀非常復雜,能夠幫助科學家們確定細胞如何發育或者干細胞如何分化成為不同的細胞類型。借用三維打印技術,科學家們就可以打印出不同的支架構造并用其進行試驗以便找出表現最好的支架形狀,而且,這種方式完全在科學家們的掌控之中。
  
  然而,其中存在的一個問題是大多數三維打印機的工作精度僅為幾十微米到幾百微米,然而,細胞在1微米尺度下才能感應分化。英國謝爾菲德大學的三維打印技術專家尼爾·霍普金森表示,頂級質量的打印機目前能夠獲得的精確度為100納米。但是,“這仍然還處于實驗室研究階段。”
  
  定制實驗工具
  
  目前,普通的三維打印機就可以使科學家們能定制自己所需要的實驗工具。據物理學家組織網4月16日報道,英國格拉斯哥大學的化學家勒羅伊·克洛寧今年占據了報紙的頭條,他研制出了一種新的三維打印程序,通過將反應容器作為打印素材,能按需求設計打印出化學產品。研究人員介紹說,用一臺商用三維打印機裝上開源的計算機輔助設計軟件就能生產出各種“反應件”(reactionware),可合成各種有機和無機物。
  
  “反應件”是由聚合物凝膠制成的一種特殊容器,設置在室溫下工作,專用于化學反應。其中還包括作為打印材料的催化劑和用于電化、光譜分析的其他成分。將容器放入打印機,再加入其他化學藥品,容器本身會成為反應過程的一部分。這種反應通常大型化工廠才能做到,而“反應件”讓其首次進入實驗室級別。
  
  另外一些學科領域的科學家則為三維打印技術找到了更直接的用途。例如,位于美國紐約州特洛伊的倫斯勒理工學院的環境工程師菲利普·巴弗耶使用三維打印技術為一個滲透儀制造出了定制零件,滲透儀是用來測量通過土壤中的水流情況的設備。盡管這些設備目前非常適合日常工作,但是,巴弗耶通常必須自己親自設計滲透儀以便用于更精確和精細的研究,以前,使用車床制造這些實驗工作費時很長,但三維打印技術讓一切變得更加簡單。
  
  或許更重要的是,巴弗耶可以僅僅通過出版相關的設計文件就與其他研究人員分享其實驗成果,他說:“能夠用文字再現試驗的具體細節非常好。”
  
  其他人也一致認同,三維打印技術真正強大的威力在于其能讓大多數人從事科研活動。克洛寧希望,三維打印技術最終能讓任何人——無論其身處遙遠的非洲角落還是外太空,都能打印出自己的小型藥物工廠。博物館也能如愿打印出更多罕見化石或者精細化石的復制品并分發給需要的人們。而且,學生們也能打印出他們正在研究的任何分子。奧爾森表示:“三維打印技術讓物理模型可以為大多數人所擁有。”
  
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