器官、造岩石、打印重金属:科学家的3D打印是有多硬核?
时间: 2019-03-06 来源: “Nature自然科研”微信公众号
提要:3D打印使个性化制造成为可能,取代了集中制造。正如上述例子所显示的那样,研究人员和3D打印的故事才刚刚开始。

器官、造岩石、打印重金属:科学家的3D打印是有多硬核?

 

文/Andrew Silver

(原文以Five innovative ways to use 3D printing in the laboratory为标题发布在2019年1月2日的Nature Toolbox上)

随着3D打印机成本的下降,研究人员开始使用它们制造各类物品,从实验用预制设备,到实际的人体器官模型,几乎无所不包。

莫斯科泽林斯基有机化学研究所的化学家Valentine Ananikov常常做一些极其微妙的化学实验,即便是一点点比细菌还小的金属纳米颗粒,也可能改变实验结果。所以每次做完实验,他的实验室都要进行严格的清洁。

或者至少说,以前是这样的。2016年,Ananikov开始制造一次性反应容器。他所依赖的技术,就是让无数DIY爱好者、工程师和科学家的想象力变成现实的3D打印。

3D打印,也称为增材制造,是一种将3D电脑模型逐层打印(类似给蛋糕上糖霜)成实物的技术。Ananikov的团队利用这种技术,几天内就造出了化学反应器,这样便不用等上好几周,由外部供应商制作和运过来了。

更重要的是,3D打印使用的塑料成本非常低廉,Ananikov的团队可以用完就丢,免去了清理的麻烦。“对于处理跨学科项目的研究实验室来说,”Ananikov说,“3D打印如今成了一种标准工具。”

在“创客文化”中,3D打印技术被广泛用于教育和创造创新物品。但在科学实验室里,它们也日益成为一种标准配备。研究人员可以使用它们来替换损坏的仪器部件,打印定制的样品架,以及制作从生物分子到含油岩石的各种模型。临床医生也可以利用这一技术来打印器官移植物和教学模型。

3D打印技术多种多样,最普遍的一种是熔丝制造技术(FFF),也称为熔融沉积成型技术。FFF打印机将细窄的彩色细丝——通常是塑料线——加热、挤压,一次形成一层。相比之下,老式的立体光刻打印机用的是一罐液态光敏树脂,通过激光硬化成特定形状。FFF打印机所打印的物品不如立体光刻打印机的精细,但方便使用,价格也便宜。

商用FFF打印机价格从几百到数千美元不等,研究人员也可以使用RepRap项目中的开源套件或设计来自行组建硬件,只需几百美元。

3D打印并不新鲜,立体光刻打印机在上世纪80年代就已经存在,但高昂的价格令人望而却步。以下是研究人员利用3D打印技术的四种方式。

随身携带的设备

Julian Stirling是英国巴斯大学的一名物理学家,他所在团队设计的光学显微镜可以用3D打印的塑料部件组成。他们想在坦桑尼亚的野外制造这种显微镜,用它寻找血液中的寄生虫,从而诊断疟疾。

Stirling说,坦桑尼亚缺乏技术过硬的技师,本地用于修复科学设备的部件不足,进口部件又昂贵、耗时。而通过3D打印技术打印部件,当地医生和科学家可以更快、更便宜地修复显微镜。Stirling补充说,坦桑尼亚一家公司甚至用电子废品和其他当地材料制造出了FFF打印机。

Thingiverse和MyMiniFactory等多个网站为科学家提供了用以分享可打印部件的计算机模型的平台。但根据Stirling的经验,这些网站上的模型往往是不完整的,要么缺少特定项目的文档记录,要么缺少修改设计所需的关键文件。因此,他的团队从零开始,使用了一种叫做OpenSCAD的开源编程语言。他们的显微镜除了相机、电机和镜头这几个部件,都可以3D打印。

Stirling说,3D打印的时候,出错是很常见的。但由于这项技术速度快、价格低,所以设计迭代起来也很简单。“只有不断尝试、出错,才能累积经验。”Stirling说。

实践告诉Stirling,在实验室里用3D打印机和在野外完全是两码事。塑料细丝会受湿度的影响,因此相比于控制严密的实验室,在坦桑尼亚潮湿的野外进行3D打印会更困难,失败的次数也更多。另外,坦桑尼亚常常停电,而只有部分打印机可以在恢复供电后继续打印半成品。对于气候,Stirling和他的团队没什么办法,但他们会使用不间断电源来保证打印工作顺利完成。

近乎真实的器官

Ahmed Ghazi是纽约罗彻斯特大学医学中心的一名泌尿外科医生,他使用3D打印技术来打印非功能性人体器官,提供给外科医生练习机器人辅助手术。相对简单的手术,比方说脾脏移除,是不需要这种练习的。但对于更加复杂的手术,如肿瘤切除,可能因病患而异。正如Ghazi所说:“切除肿瘤不是纸上谈兵的事。”

Ghazi首先对患者的组织进行3D计算机辅助断层扫描,然后将数据传输到比利时鲁汶Materialise公司的商用医学建模软件Mimics上,以及加州圣拉斐尔Autodesk公司的免费工具Meshmixer上,创建3D模型。

之后,Ghazi用FFF打印机将模型打印成空心塑料模具,向里面插入与假血泵相连的血管模型,并将水凝胶注入模具,凝固成类似器官刚度的物体。最后制造出来的“器官”非常逼真,足以满足外科医生练习手术的需求,以及模拟出血等真实出现的情况。

Ghazi说,他和他的团队每周最多使用这些模型进行4次手术。每一次,他们会打印出两个一样的模型,然后选择更精确的那一个。他们还在培训心脏、肝脏手术等领域的医生也使用这项技术。Ghazi表示,“这绝对是一项会日渐流行起来的技术。”

不过,不完善之处还是存在的。FFF打印机打印的模具常常有细微的凹凸,肉眼一般看不见,但在机器人相机眼中一清二楚,而这会影响外科医生的练习。Ghazi的解决方案是,在模具内部铺上一层室温蜡,把坑坑洼洼填满,从而让打印的“器官”更加平滑。“这些小事情确定会带来改变。”他说。

复制岩石

对于北达科他大学的石油工程师Mehdi Ostadhassan来说,3D打印提供了一个优化从岩石中提取油气的工具。

Ostadhassan利用OpenSCAD和商用3D计算机辅助设计软件AutoCAD(Autodesk公司出品),结合各种3D打印机和材料来打印“岩石”。这些岩石模型具有逼真的物理特性,包括细小、精致的孔隙。Ostadhassan将它们置于物理应力下,以便更好地了解液体是如何在真正的岩石当中流动的。

为了打印出最逼真的岩石,Ostadhassan尝试了各种打印方法,包括粘合剂喷射技术,也就是将液体粘合剂逐层加到石膏粉或硅砂上。这样打印出来的物体具有与真实岩石高度相似的机械特性。但Ostadhassan说,(它的缺点是)未结合的粉末会卡在孔隙中,影响最终产品的质量。

在某些实验中,他需要进行防水处理以达到所需的“润湿度”。立体光刻打印机更擅长打印具有精细空隙的岩石,用来研究液体流动特性,但这种技术打印出来的产品不如粘合剂喷射技术的坚硬。

因此,Ostadhassan正在和其他研究人员协作开发定制打印机,使之能够在模拟孔隙和裂纹的同时,打印出与真实岩石具有相同机械强度的模型。

重金属

今天的3D打印机可以兼容许多材料——但还不是所有。深圳科研用3D打印机生产商UniMaker的首席执行官杨漾说:“能用于3D打印的材料非常非常有限。”不过,相关研究正在紧锣密鼓地展开,改变也在一点点发生。

当前较为火热的领域为生物打印,用于打印结构化生物材料。上海交通大学的生物医学家王瑾晔表示,她的学校已经购买了这样一台设备用于教学。这些生物打印机将细胞和水凝胶混合,能够打印出骨骼、肿瘤等模型。

杨漾说,另一个发展可观的领域是金属。3D金属打印机使用电子束或激光来融化金属粉末,形成特定结构。西澳大利亚大学研究暗物质的物理学家Jeremy Bourhill正在研究基于激光的3D金属打印机,希望用其打印出超导铌。Bourhill说,超导铌可以用来阻挡会干扰暗物质探测的强磁场。

若使用常规加工方法制造隔离网,需要用到有毒的润滑剂,而且要浪费大量价格不菲的铌。因此,Bourhill的团队正在使用高功率激光将金属粉末横断面熔融到一起。但是,由于铌的熔点约为2500°C,因此这个过程需要耗费大量电力。“铌实在是一种难搞的材料。”Bourhill说。

若放在过去,Bourhill等研究人员的选择会较为受限。但武汉华中科技大学的材料工程师史玉升表示,随着3D打印机的普及,情况已经发生了根本性的变化:3D打印使个性化制造成为可能,取代了集中制造。正如上述例子所显示的那样,研究人员和3D打印的故事才刚刚开始。( “Nature自然科研”微信公众号)

Andrew Silver


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