出品：科普中國
製作：大阪大學 張昊
監製：中國科學院電腦網絡資訊中心
據科技日報報導，近日，俄羅斯宇航員在國際空間站上利用3D生物印表機列印出了實驗鼠的甲狀腺。這是人類首次在太空3D列印出生物器官。
太空3D列印因為處於零重力環境，列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，人類有望在太空中列印出人體器官。
1986年，第一台3D印刷機誕生。2005年，首個高清晰彩色3D印表機研製成功。2012年，蘇格蘭科學家首次用3D印表機列印出人造肝髒組織。2016年8月，世界首台3D人體印表機問世。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列印貼片。2018年初，英國科學家首次3D列印出類腦組織……3D列印技術的快速發展讓人們不禁令人想問：神奇的3D列印，還有什麽是"你"做不到的？
3D列印誕生已久
3D列印並非新生事物。它的前身是快速原型製造，在上世紀80年代已經應用於工業設計和生產過程。現在通用的各3D列印技術，在當時基本上都已經開發出來了。反而3D列印這名字來得晚，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列印"的概念。
3D列印技術雖然有好多種，但思路都是一樣的，專業術語叫做"分布式材料製造"。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麽辦法加快製造速度呢？那就是做一堆積木，然後找個人將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印表機，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列印成的飾品（圖片來源：百度圖片）
3D列印獨具特色
與傳統加工手段相比，3D列印又具有諸多獨到之處。
先說說用傳統的衝壓方式生產一個小型的車用零件攏共要用幾步。首先，要有衝壓用的模具。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製造，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麵團，被這麽瞬間一壓，就變成了模具的形狀，之後用車床除去多餘的部分，再進行一些研磨拋光一類的機械加工，零件就完成了。
3D列印製作同樣的零件又是個什麽套路呢？首先，在電腦上繪製好零件的設計圖，然後將設計數據導入3D印表機，就可以開始製造零件了。以熔融沉積式3D印表機為例，事先準備好的低熔點線材如塑料，石蠟等經由3D印表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印表機，白色線卷即為塑料原料（圖片來源：百度圖片）
右：該印表機的噴頭部位特寫，雙噴頭設計，可同時列印兩種不同塑料（圖片來源：百度圖片）
上面這個例子已經把3D列印最為本質的兩個特點反映得很清楚了。首先，3D列印與電腦輔助設計（CAD）以及電腦輔助製造（CAM）密不可分，任何3D列印的零件都要從電腦設計圖開始自己的生命歷程。假如事先只有圖紙，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，繪製設計圖。
其次，3D列印是一種增材製造技術，也就是說與傳統的車床機械加工一類減材製造技術不同，產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列印好比泥塑，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。有了這迥異於其他前輩的兩大特色，3D列印能在機械製造技術的武林之中自立門戶也就不足為奇了。
3D生物列印：移植器官來源的好幫手
3D列印技術誕生之後，人們為了解決移植器官來源有限的問題又發明了3D生物列印。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於需要的器官。基於現有列印技術的3D生物印表機使用了生物材料，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。
2009年底，Organovo公司製造出第一台3D生物印表機的原型機。研究者在供列印的液態材料中複合從骨髓、脂肪等組織中提取出的幹細胞，或不同的活性因子，通過列印頭將液體按照一定圖案列印在接收平台上。列印頭每列印過一層，就會提升一個層高的刻度，繼而開始下一層圖案的列印，從而逐漸實現人造組織的成型，這一過程類似於普通3D列印在工業應用中的模型製造。
3D列印在生物領域的應用
現在，醫用鈦合金人工骨，人工關節等已經廣泛採用了3D列印技術。首先，通過CT或者核磁共振等成像技術獲知患者身體的精確三維結構，然後將數據利用電腦進行處理並完成個性化設計。之後利用3D列印生成獨一無二的專屬人工骨，極大的提升了患者的治療品質。
左：利用3D列印技術製成的人工骨（白色部分）（圖片來源：百度圖片）
右：利用3D列印技術製成的隱形牙套（圖片來源：百度圖片）
在口腔醫學，尤其是口腔正畸醫學界，3D列印也呈現星火燎原之勢。時下十分流行的隱形牙套，就無法缺少3D列印技術的支持。該技術利用功能強大的行業軟體，精確分析患者經過佩戴正畸牙套後牙齒的移動情況，再配合3D列印技術生產出一系列適應於不同階段的牙套。這樣的隱形牙套不影響美觀，對牙齒和口腔傷害很小，並且不影響進食，患者只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列印技術將明膠列印成類似於卵巢組織的結構，然後將從小鼠體內提取出的卵泡和激素生成細胞植入這種明膠骨架，得到3D列印的人工卵巢組織。該人工卵巢在移植入摘除卵巢的小鼠體內後，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）。雖然離人工製造組織或者器官這樣的人類終極夢想仍然遙遠，3D列印還是幫助我們邁出了開拓性的一步。
左：將明膠用3D列印技術製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，繁殖後的小鼠將通體呈現熒光。綠色熒光作為標記，以便於確定小鼠確實繁殖於該人工卵巢（圖片來源：百度圖片）
3D生物列印領域取得大量的科研突破也將使得我們在未來數年內實現3D列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生物列印技術也將被用於製藥、美容、食品、服裝等多個領域，徹底改變我們的生活。
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