實驗室里的生物3D打印（二）

2. 打印器官

紐約羅徹斯特大學醫學中心（University of Rochester Medical Center）的泌尿外科醫生Ahmed Ghazi使用3D打印技術打印了非功能性人體器官，外科醫生可以用它來練習機器人輔助手術。相對簡單的手術，例如移除脾臟，幾乎不需要這種練習。但是更復雜的手術，例如切除腫瘤，就需要醫生進行反復訓練。正如Ghazi所說，腫瘤不在教科書中。

Ghazi首先對患者組織進行3D計算機輔助斷層掃描，然后將數據輸入比利時Materialise公司的商業醫學建模軟件Mimics，以及加州Autodesk公司的免費工具Meshmixer中，以此創建3D模型。然后，他使用FFF打印機將這些模型打印為空心塑料模具，隨后植入連接到假血泵的血管復制品，并在模具中注入水凝膠，最終凝固成具有器官一樣剛度的物體。由此產生的器官模型足夠逼真，外科醫生可以在能觀察出血等現實后果的情況下練習手術。

Ghazi表示，他和他的團隊每周最多使用這些模型進行四次手術練習。每次手術前，他們會創建兩個模型，然后選擇更逼真的模型進行手術練習。他們正在培訓其他醫生將這項技術應用于心臟和肝臟手術等領域。 Ghazi認為，這將變得越來越流行。

但3D打印的器官模型仍有不完善之處。Ghazi指出，由FFF打印機生產的模型通常具有微小的突起和凹槽。這些缺陷通常太小而無法用肉眼看到，只能通過相機才能發現，這可能會影響外科醫生的體驗。Ghazi的解決方案是在模具內部鋪上一層室溫蠟，填充這些突起和凹槽，從而使最終產品平滑。Ghazi認為這種辦法還是起到作用的。

3. 巖石復制品

對于北達科他大學（University of North Dakota）的石油工程師Mehdi Ostadhassan來說，3D打印提供了一種優化的、可從巖石中提取石油和天然氣的工具。

Ostadhassan使用OpenSCAD、商業3D計算機輔助設計軟件AutoCAD以及各種3D打印機和材料等程序打印“巖石”。這些巖石模型具有逼真的物理特性，包括微小細致的孔隙，Ostadhassan將它們置于物理壓力下，以更好地了解石油如何在巖石中流動。

為了創造最逼真的巖石，Ostadhassan采用了一系列打印方法，包括粘合劑噴射技術——一種把液體粘合劑逐層噴射到石膏粉或硅砂上的3D打印技術。最終得到的巖石模型具有與真實巖石非常相似的機械特性。但Ostadhassan認為，未結合的粉末也會卡在孔隙中，從而降低最終產品的質量。對于一些實驗，他需要采用防水處理才能獲得“潤濕性”。立體平版打印機可以更好地打印具有細微孔隙的巖石，以便研究液體流動特性，但是這種方法打印出的巖石模型硬度不如粘合劑噴射技術打印出的巖石模型。

因此，Ostadhassan正在與其他研究人員合作開發一種定制打印機，這種打印機打印的巖石模型在保留孔隙結構的同時，具有與真實巖石相同的機械強度。

4. 重金屬

現在的3D打印機可以使多種材料——但不是全部。中國深圳UniMaker公司（一家生產用于科學用途的3D打印機的公司）首席執行官楊漾表示，用于3D打印的材料非常非常有限。但3D打印領域研究非常熱門，并且即將迎來一系列新變化。一個高成長領域是生物打印，用于創建結構化生物材料。中國上海交通大學生物醫學科學家王瑾曄表示，她所在的生物醫學工程學院已購置了一臺生物3D打印機，用于教學。這些生物打印機將細胞和水凝膠混合在一起，以產生諸如骨骼和腫瘤等結構的模型。

楊漾指出，另一個高增長領域是金屬。具有金屬打印功能的3D打印機使用電子束或激光來按照特定模式熔化金屬粉末。澳大利亞大學（University of Western Australia）研究暗物質的物理學家Jeremy Bourhill正在研究使用基于激光的3D金屬打印機來制造超導鈮網。 Bourhill表示，超導鈮網可用來屏蔽會干擾暗物質探測的強磁場。

傳統的機械加工制造網狀物的方法需要使用有毒的潤滑劑，并浪費大量的鈮。鈮非常昂貴，因此傳統生產方法成本較高。為解決這個問題，Bourhill的團隊使用高功率激光將鈮的橫截面融合在一起。但正如Bourhill所說，鈮是一種非常堅韌的材料。鈮的熔點約為2,500°C，因此融化鈮的3D打印機的功率需要非常高。

過去，Bourhill等研究人員的選擇范圍有限。但就像武漢華中科技大學的材料工程師史玉升說的那樣，隨著3D打印機可用性的增加，3D打印將重塑我們的世界：3D打印正在實現個性化制造，取代集中制造。本文中提到的幾種應用不過只揭示了3D打印強大功能的冰山一角。