出品：科普中國

制作：大阪大學 張昊

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

據科技日報報道，近日，俄羅斯宇航員在國際空間站上利用3D生物打印機打印出了實驗鼠的甲狀腺。這是人類首次在太空3D打印出生物器官。

Organaut生物打印機 （圖片來源：今日俄羅斯通訊社）

太空3D打印因為處于零重力環境，打印出來的器官和組織比在地球上成熟得更快，效率也更高。未來，人類有望在太空中打印出人體器官。

1986年，第一台3D印刷機誕生。2005年，首個高清晰彩色3D打印機研制成功。2012年，蘇格蘭科學家首次用3D打印機打印出人造肝髒組織。2016年8月，世界首台3D人體打印機問世。2017年，美國明尼蘇達大學的生物工程團隊開發出一種治療受損的心髒組織的3D打印貼片。2018年初，英國科學家首次3D打印出類腦組織……3D打印技術的快速發展讓人們不禁令人想問：神奇的3D打印，還有什麼是"你"做不到的？

3D打印誕生已久

3D打印并非新生事物。它的前身是快速原型制造，在上世紀80年代已經應用于工業設計和生産過程。現在通用的各3D打印技術，在當時基本上都已經開發出來了。反而3D打印這名字來得晚，直到1995年麻省理工學院的兩名畢業生JimBredt和TimAnderson才第一次提出了"3D打印"的概念。

3D打印技術雖然有好多種，但思路都是一樣的，專業術語叫做"分布式材料制造"。舉個大家都容易看懂的例子：一個人做一個櫃子那是需要很長時間，想要加快的話那就得增加人手，但若人數固定的話還有什麼辦法加快制造速度呢？那就是做一堆積木，然後找個人将積木按照一定的形狀堆積起來再一粘就是了——前提是能看懂說明書。

▲左：某工業用3D打印機，成型材料應為塑料（圖片來源：百度圖片）

▲右：以金屬作為原材料3D打印成的飾品（圖片來源：百度圖片）

3D打印獨具特色

與傳統加工手段相比，3D打印又具有諸多獨到之處。

先說說用傳統的沖壓方式生産一個小型的車用零件攏共要用幾步。首先，要有沖壓用的模具。這個模具好比月餅印一樣，決定了零件的形狀。一般是用專門的模具鋼制造，硬度高而且韌性好。模具分為上模和下模，上模安裝在壓力機上，可以以很高的速度壓向下模。要加工的材料好比是做月餅的面團，被這麼瞬間一壓，就變成了模具的形狀，之後用車床除去多餘的部分，再進行一些研磨抛光一類的機械加工，零件就完成了。

沖壓工藝制成的車用小型零件（圖片來源：名古屋豐田博物館參觀紀念）

3D打印制作同樣的零件又是個什麼套路呢？首先，在電腦上繪制好零件的設計圖，然後将設計數據導入3D打印機，就可以開始制造零件了。以熔融沉積式3D打印機為例，事先準備好的低熔點線材如塑料，石蠟等經由3D打印機的噴嘴加熱後噴出。在電腦的控制下，噴嘴在空間中由低到高逐層進行描畫，最後形成零件，基本無須任何的後處理。

▲左：某塑料熔融沉積式低端工業用3D打印機，白色線卷即為塑料原料（圖片來源：百度圖片）

▲右：該打印機的噴頭部位特寫，雙噴頭設計，可同時打印兩種不同塑料（圖片來源：百度圖片）

上面這個例子已經把3D打印最為本質的兩個特點反映得很清楚了。首先，3D打印與計算機輔助設計（CAD）以及計算機輔助制造（CAM）密不可分，任何3D打印的零件都要從電腦設計圖開始自己的生命曆程。假如事先隻有圖紙，沒有電腦可以直接利用的造型數據，也得重新在電腦中建立模型，繪制設計圖。

其次，3D打印是一種增材制造技術，也就是說與傳統的車床機械加工一類減材制造技術不同，産品是由原料直接在空間中堆砌而成。可以把車床機械加工比作石雕，刀斧錘鑿齊上陣，最終的作品比起最初的原石隻少不多。另外一方面，3D打印好比泥塑，塑造形象的組成部分不斷疊加，最終的作品比起最初的泥胚隻多不少。有了這迥異于其他前輩的兩大特色，3D打印能在機械制造技術的武林之中自立門戶也就不足為奇了。

3D生物打印：移植器官來源的好幫手

3D打印技術誕生之後，人們為了解決移植器官來源有限的問題又發明了3D生物打印。因為在現有的醫療手段中，一個器官的獲取要以另一個人器官的失去為前提，而主動或被動失去的器官數量又遠遠少于需要的器官。基于現有打印技術的3D生物打印機使用了生物材料，可以複合細胞、生長因子等活性成分，從而逐層構建活體組織。

3D生物打印過程（圖片來源：百度圖片）

2009年底，Organovo公司制造出第一台3D生物打印機的原型機。研究者在供打印的液态材料中複合從骨髓、脂肪等組織中提取出的幹細胞，或不同的活性因子，通過打印頭将液體按照一定圖案打印在接收平台上。打印頭每打印過一層，就會提升一個層高的刻度，繼而開始下一層圖案的打印，從而逐漸實現人造組織的成型，這一過程類似于普通3D打印在工業應用中的模型制造。

3D打印在生物領域的應用

現在，醫用钛合金人工骨，人工關節等已經廣泛采用了3D打印技術。首先，通過CT或者核磁共振等成像技術獲知患者身體的精确三維結構，然後将數據利用計算機進行處理并完成個性化設計。之後利用3D打印生成獨一無二的專屬人工骨，極大的提升了患者的治療質量。

▲左：利用3D打印技術制成的人工骨（白色部分）（圖片來源：百度圖片）

▲右：利用3D打印技術制成的隐形牙套（圖片來源：百度圖片）

在口腔醫學，尤其是口腔正畸醫學界，3D打印也呈現星火燎原之勢。時下十分流行的隐形牙套，就無法缺少3D打印技術的支持。該技術利用功能強大的行業軟件，精确分析患者經過佩戴正畸牙套後牙齒的移動情況，再配合3D打印技術生産出一系列适應于不同階段的牙套。這樣的隐形牙套不影響美觀，對牙齒和口腔傷害很小，并且不影響進食，患者隻需要遵照電腦計算的結果定期更換牙套即可。

2017年，美國西北大學的一個課題組利用3D打印技術将明膠打印成類似于卵巢組織的結構，然後将從小鼠體内提取出的卵泡和激素生成細胞植入這種明膠骨架，得到3D打印的人工卵巢組織。該人工卵巢在移植入摘除卵巢的小鼠體内後，表現出了功能健全卵巢的特性，可以正常排卵，在小鼠經過多代繁殖後也未見後代異常（圖8）。雖然離人工制造組織或者器官這樣的人類終極夢想仍然遙遠，3D打印還是幫助我們邁出了開拓性的一步。

▲左：将明膠用3D打印技術制成與卵巢組織類似的結構（圖片來源：百度圖片）

▲右：人工卵巢排出的卵子繁殖出的小鼠，利用基因編輯技術，處理植入人工卵巢的卵子，繁殖後的小鼠将通體呈現熒光。綠色熒光作為标記，以便于确定小鼠确實繁殖于該人工卵巢（圖片來源：百度圖片）

3D生物打印領域取得大量的科研突破也将使得我們在未來數年内實現3D打印器官和組織的前景越來越清晰，從而最終取代人體器官移植的應用。同時，3D生物打印技術也将被用于制藥、美容、食品、服裝等多個領域，徹底改變我們的生活。

（本文中标明來源的圖片均已獲得授權）

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