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随着3d打印机成本下降,研究人员开始使用3d打印制作包括实验室定制设备和人体器官在内的一系列东西。

莫斯科zelinsky有机化学研究所(zelinsky institute of organic chemistry)的化学家valentine ananikov在构建一些非常精细的化学反应。反应中哪怕是混入了一颗小小的金属纳米粒子,实验结果也会大幅波动。鉴于此,他每次完成试验后,都要对反应容器进行深度的清洁。至少曾经一度是这样。但在2016年,ananikov开始利用一种吸引了众多工程师和科学家的技术——3d打印——创造一次性反应容器,从而摆脱了清洁反应容器的繁琐工序。

在3d打印(也叫增材制造)中,3d计算机模型逐层转换为物理对象,就像做蛋糕一样。 使用该技术,ananikov的团队就能在几天内制造定制化学反应器,相比之下,从外部供应商那里定制则需要等待数周,甚至更长的时间。更重要的是,3d打印塑料的成本非常低,以至于该实验室可以将3d打印出来的反应容器作为消耗品处理,一次性使用然后丢弃,无需清理。ananikov指出,对于研究跨学科项目的实验室来说,3d打印现在是一种标准工具。

3d打印机已经被广泛应用于教育和创造创新物品。同时,它们也逐渐成为科学实验室的标准设备。研究人员可以使用它们来替换损坏的仪器部件,构建定制的样品架,或构建从生物分子到含油岩石的所有物件的建模。临床医生可以利用3d打印技术,创建植入物和教学模型。

3d打印有多种方式,最普遍的一种是熔丝成型(fused-filament fabrication, fff),也称为熔融沉积建模。熔丝成型是一种将各种热熔型的丝状材料加热融化,通过喷嘴喷出,一次形成一层的3d打印技术。相比之下,较老的立体光刻印刷机使用液体光活化树脂罐,其通过激光硬化成精确的形状。相比于立体光刻打印技术,fff技术更适合用于打印对细节要求不高的物体,但使用更简单,成本更低廉。

商业fff打印机的价格在数百到数千美金之间。研究人员也可以使用开源reprap项目中的套件或设计自行构建硬件,成本只需几百美元。

3d打印并不是什么新鲜玩意儿:自20世纪80年代以来,立体平版打印机就已经存在。但价格下跌让3d打印日渐走进各个实验室。以下是研究人员利用3d打印的四种方式。

1. 打印设备零部件

英国巴斯大学(university of bath)的物理学家julian stirling所在的团队利用3d打印技术,构建光学显微镜的塑料部件。他们希望能在坦桑尼亚搭建显微镜平台,用于寻找血液中的寄生虫,从而实现疟疾的诊断。stirling表示,坦桑尼亚当地缺乏光学显微镜方面的专业人才,并且也缺乏生产显微镜部件的供应商,但进口零部件既昂贵又耗时。通过3d打印零件,当地医生和科学家可以更快、更便宜地修复显微镜。他还补充指出,坦桑尼亚的一家当地公司甚至用废弃的电子产品和其它当地材料,自己搭建了一台fff打印机。

包括thingiverse和myminifactory在内的多个网站为科学家提供了分享可打印组件计算机模型的论坛。但根据stirling的经验,这些网站上的模型通常是不完整的,缺少特定项目的文档或修改设计的关键文件。因此,他的团队使用名为openscad的开源编程语言从头开始创建模型。除相机、电机和镜头外,显微镜的其它部分都可以用3d打印技术来制造。

stirling指出,3d打印的一个问题是很容易出错。但由于该技术速度快且价格低廉,因此迭代设计很简单。stirling认为,经验只能通过反复试验来获得。

反复的实践教会stirling,在实验室中使用3d打印机与在现场使用3d打印机之间存在很大差异。在气候潮湿的坦桑尼亚,3d打印塑料丝通常比在气候受控的实验室里要难得多,因为湿度会影响塑料丝,从而导致打印失败。此外,停电也时常发生,只有部分打印机可以在恢复供电后继续打印半成品。stirling表示,控制气候是不可能的,但可以通过使用不间断电源来确保打印工作能够完成。

2. 打印器官

纽约罗彻斯特大学医学中心(university of rochester medical center)的泌尿外科医生ahmed ghazi使用3d打印技术打印了非功能性人体器官,外科医生可以用它来练习机器人辅助手术。相对简单的手术,例如移除脾脏,几乎不需要这种练习。但是更复杂的手术,例如切除肿瘤,就需要医生进行反复训练。正如ghazi所说,肿瘤不在教科书中。

ghazi首先对患者组织进行3d计算机辅助断层扫描,然后将数据输入比利时materialise公司的商业医学建模软件mimics,以及加州autodesk公司的免费工具meshmixer中,以此创建3d模型。然后,他使用fff打印机将这些模型打印为空心塑料模具,随后植入连接到假血泵的血管复制品,并在模具中注入水凝胶,最终凝固成具有器官一样刚度的物体。由此产生的器官模型足够逼真,外科医生可以在能观察出血等现实后果的情况下练习手术。

ghazi表示,他和他的团队每周最多使用这些模型进行四次手术练习。每次手术前,他们会创建两个模型,然后选择更逼真的模型进行手术练习。他们正在培训其他医生将这项技术应用于心脏和肝脏手术等领域。 ghazi认为,这将变得越来越流行。

但3d打印的器官模型仍有不完善之处。ghazi指出,由fff打印机生产的模型通常具有微小的突起和凹槽。这些缺陷通常太小而无法用肉眼看到,只能通过相机才能发现,这可能会影响外科医生的体验。ghazi的解决方案是在模具内部铺上一层室温蜡,填充这些突起和凹槽,从而使最终产品平滑。ghazi认为这种办法还是起到作用的。

3. 岩石复制品

对于北达科他大学(university of north dakota)的石油工程师mehdi ostadhassan来说,3d打印提供了一种优化的、可从岩石中提取石油和天然气的工具。

ostadhassan使用openscad、商业3d计算机辅助设计软件autocad以及各种3d打印机和材料等程序打印“岩石”。这些岩石模型具有逼真的物理特性,包括微小细致的孔隙,ostadhassan将它们置于物理压力下,以更好地了解石油如何在岩石中流动。

为了创造最逼真的岩石,ostadhassan采用了一系列打印方法,包括粘合剂喷射技术——一种把液体粘合剂逐层喷射到石膏粉或硅砂上的3d打印技术。最终得到的岩石模型具有与真实岩石非常相似的机械特性。但ostadhassan认为,未结合的粉末也会卡在孔隙中,从而降低最终产品的质量。对于一些实验,他需要采用防水处理才能获得“润湿性”。立体平版打印机可以更好地打印具有细微孔隙的岩石,以便研究液体流动特性,但是这种方法打印出的岩石模型硬度不如粘合剂喷射技术打印出的岩石模型。

因此,ostadhassan正在与其他研究人员合作开发一种定制打印机,这种打印机打印的岩石模型在保留孔隙结构的同时,具有与真实岩石相同的机械强度。

4. 重金属

现在的3d打印机可以使多种材料——但不是全部。中国深圳unimaker公司(一家生产用于科学用途的3d打印机的公司)首席执行官杨漾表示,用于3d打印的材料非常非常有限。但3d打印领域研究非常热门,并且即将迎来一系列新变化。一个高成长领域是生物打印,用于创建结构化生物材料。中国上海交通大学生物医学科学家王瑾晔表示,她所在的生物医学工程学院已购置了一台生物3d打印机,用于教学。这些生物打印机将细胞和水凝胶混合在一起,以产生诸如骨骼和肿瘤等结构的模型。

杨漾指出,另一个高增长领域是金属。具有金属打印功能的3d打印机使用电子束或激光来按照特定模式熔化金属粉末。澳大利亚大学(university of western australia)研究暗物质的物理学家jeremy bourhill正在研究使用基于激光的3d金属打印机来制造超导铌网。 bourhill表示,超导铌网可用来屏蔽会干扰暗物质探测的强磁场。

传统的机械加工制造网状物的方法需要使用有毒的润滑剂,并浪费大量的铌。铌非常昂贵,因此传统生产方法成本较高。为解决这个问题,bourhill的团队使用高功率激光将铌的横截面融合在一起。但正如bourhill所说,铌是一种非常坚韧的材料。铌的熔点约为2,500°c,因此融化铌的3d打印机的功率需要非常高。

过去,bourhill等研究人员的选择范围有限。但就像武汉华中科技大学的材料工程师史玉升说的那样,随着3d打印机可用性的增加,3d打印将重塑我们的世界:3d打印正在实现个性化制造,取代集中制造。本文中提到的几种应用不过只揭示了3d打印强大功能的冰山一角。

原文检索:andrew silver. (2019) five innovative ways to use 3d printing in the laboratory. nature, 565: 123-124. 张洁/编译

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