出品：科普中國
製作：大阪大學
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
隨著新冠疫情在世界的持續蔓延，多個包括美國、意大利等疫情重災區已經出現了衛生醫療用品緊缺的問題，口罩、呼吸機以及用於檢測的鼻拭子和咽拭子等必備用品已經供不應求。
危急時刻，3D 列印技術已經成為一支拯救生命的奇兵。上周，一個由南佛羅裡達大學、哈佛大學、史丹佛大學等機構組成的聯盟宣布，他們已經與美國食品藥品監督管理局（FDA）協商，制定了生產3D 列印測試樣本的通用指南。同時，一家位於馬薩諸塞州薩默維爾市的 3D 列印技術開發商和製造商Formlabs，將在俄亥俄州的工廠投入 250 台印表機，用於生產新冠病毒測試的鼻拭子。
其實，3D列印在中國抗擊新冠疫情中也貢獻了力量。上海市一家科技企業運用3D列印技術，"列印"隔離病房馳援湖北。湖南一家集團用3D技術生產了一批醫用護目鏡馳援抗疫一線，它的重量只有普通護目鏡的四分之三，同時還可根據個人面部數據實現私人化定製。
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——前提是他能看懂說明書。
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列印與計算機輔助設計（CAD）以及計算機輔助製造（CAM）indivisible，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列印技術，生物材料也能列印出來
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列印在其他生物領域的應用也很廣。
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，然後將數據利用計算機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質量。
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。
3D列印，未來可期。
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