厉害！太空3D打印小鼠甲状腺

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奥加纳特生物打印机(照片来源:今日俄罗斯新闻社)

因为太空3D打印是在零重力环境中进行的，所以打印出来的器官和组织比地球上的器官和组织成熟得更快，效率更高。未来，人类有望在太空中打印出人体器官。

1986年，第一台3D印刷机诞生了。2005年，第一台高清彩色3D打印机成功开发。2012年，苏格兰科学家首次使用3D打印机打印人造肝组织。2016年8月，世界上第一台3D人体打印机问世。2017年，明尼苏达大学的生物工程团队开发了一种3D打印补丁来治疗受损的心脏组织。2018年初，英国科学家首次用3D打印出类似大脑的组织...3D打印技术的飞速发展让人们不禁要问:“你”还能为神奇的3D打印做什么？

3D打印诞生已久

3D打印并不新鲜。它的前身是快速原型制造，在20世纪80年代已经用于工业设计和生产。当时，目前使用的所有3D打印技术都已基本开发出来。相反，“3D打印”这个名字出现得比较晚。直到1995年，两位麻省理工学院的毕业生吉姆·布雷特和蒂曼德森首次提出了“3D打印”的概念。

尽管3D打印技术有很多种，但想法是一样的。技术术语是“分布式材料制造”。让我们举一个每个人都容易理解的例子:一个人做一个柜子需要很长时间。如果你想加速，你必须增加人数。但是如果人数是固定的，你怎么能加快生产速度呢？那就是做一堆积木，然后找个人按照一定的形状把积木堆起来，再把它们粘起来——前提是他们能看懂说明书。

左图:对于工业3D打印机，成型材料应为塑料(图片来源:百度图片)

右图:以金属为原料的3D珠宝(图片来源:百度图片)

3D打印是独一无二的

与传统的加工方法相比，3D打印具有许多独特的特点。

首先，用传统的冲压方法生产一个小汽车零件需要几个步骤。首先，必须有一个冲压模具。这个模具就像月饼的封口，决定了零件的形状。一般来说，它是由高硬度、高韧性的特种模具钢制成的。模具分为上模具和下模具。上模安装在压机上，可以高速压制下模。被加工的材料就像用来做月饼的面团，被挤压成模具的形状。然后，用车床去除多余的零件，并进行磨削和抛光等机械加工，完成零件。

由冲压工艺制成的小型汽车零件(照片来源:名古屋丰田博物馆参观和纪念)

3D打印制作相同零件的程序是什么？首先，在计算机上绘制零件的设计图，然后将设计数据导入3D打印机，开始制造零件。以熔融沉积型3D打印机为例，低熔点导线如塑料、石蜡等。预先准备好的通过3D打印机的喷嘴加热，然后喷射。在计算机的控制下，喷嘴在空间中由低到高逐层拉伸，最终形成零件，无需任何后处理。

左图:一台塑料熔积型低端工业3D打印机，白色线圈是塑料原料(图片来源:百度图片)

右图:打印机有喷嘴部分的特写和双喷嘴设计。它可以同时打印两种不同的塑料(图片来源:百度图片)

上面的例子清楚地反映了3D打印的两个最基本的特征。首先，3D打印与计算机辅助设计和计算机辅助制造密切相关。任何3D打印部件都必须从计算机设计图开始其生命历程。如果事先只有图纸，并且没有计算机可以直接使用的建模数据，则必须在计算机中重新建立模型以绘制设计图纸。

其次，3D打印是一种添加材料的制造技术。也就是说，与传统的切削材料制造技术(如车床加工)不同，产品是通过直接在空间堆积原材料来制造的。车床加工可以比作用刀、轴和锤子进行的石雕和切割。最后的作品只比原石少一点点。另一方面，3D打印就像泥塑。塑造图像的组件是连续叠加的。最终的作品只是比最初的泥塑多了很多。有了这两个不同于其他前辈的特点，3D打印在机械制造技术的武林中独树一帜就不足为奇了。

3D生物打印:移植器官来源的好帮手

3D打印技术诞生后，人们发明了3D生物打印来解决移植器官来源有限的问题。因为在现有的医疗方法中，获得一个器官的前提是丧失另一个人的器官，而主动或被动丧失的器官数量远远少于所需数量。基于现有打印技术的3D生物打印机使用生物材料，可以将细胞、生长因子等活性成分复合，从而层层构建活体组织。

3D生物打印流程(图片来源:百度图片)

2009年底，有机城生产了第一台3D生物打印机的原型。研究人员将从骨髓、脂肪等组织中提取的干细胞或不同活性因子复合到液体材料中进行印刷，并通过印刷头将液体按照一定的图案印刷在接收平台上。每次打印头打印一层，它会把刻度提高一层，然后开始打印下一层图案，从而逐渐实现人工组织的形成。该过程类似于工业应用中普通3D打印的模型制造。

3D打印在生物学中的应用

目前，医用钛合金人工骨、人工关节等已广泛采用3D打印技术。首先通过CT或核磁共振成像技术获得患者身体的精确三维结构，然后通过计算机处理数据，完成个性化设计。之后，通过3D打印生成独特的人工骨，大大提高了患者的治疗质量。

左图:3D打印技术制作的人造骨骼(白色部分)(图片来源:百度图片)

右图:3D打印技术制作的隐形背带(图片来源:百度图片)

在口腔医学，尤其是正畸学中，3D打印也显示出星星之火可以燎原的趋势。如今非常流行的隐形牙套离不开3D打印技术的支持。该技术利用强大的行业软件，准确分析患者佩戴正畸托槽后牙齿的移动情况，然后利用3D打印技术生产出一系列适合不同阶段的托槽。这种隐形牙套不影响外观，对牙齿和口腔几乎没有伤害，也不影响进食。病人只需要根据计算机计算的结果定期更换支架。

2017年，西北大学的一个研究小组使用3D打印技术将明胶打印成类似于卵巢组织的结构，然后将从小鼠体内提取的卵泡和激素产生细胞植入明胶骨架，获得3D打印的人工卵巢组织。将人工卵巢移植到去卵巢小鼠体内后，显示出卵巢功能良好的特征，并能正常排卵，且在小鼠中经过多代繁殖后没有异常后代(图8)。尽管人工制造组织或器官的最终人类梦想还很遥远，3D打印已经帮助我们迈出了开创性的一步。

左图:明胶通过3D打印技术制成类似卵巢组织的结构(图片来源:百度图片)

右图:用人工卵巢释放的卵子培育的小鼠将使用基因编辑技术处理植入人工卵巢的卵子，培育的小鼠全身将显示荧光。绿色荧光被用作标记，以确认小鼠确实在人工卵巢中繁殖(图片来源:百度图片)

3D生物打印领域的大量科学突破也将使未来几年实现器官和组织3D打印的前景越来越清晰，最终取代人体器官移植的应用。与此同时，三维生物打印技术也将被应用于制药、美容、食品、服装等诸多领域，彻底改变我们的生活。

(本文中显示的图片均经过授权)