人體器官也能3D打印

3D打印技術(shù)不僅能為每個(gè)人量身定制個(gè)性化用品，將來(lái)甚至可以快速生產(chǎn)人體替代器官，為醫(yī)療事業(yè)作貢獻(xiàn)。

也有人提出了擔(dān)憂：3D打印是否會(huì)侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)？是否會(huì)縱容恐怖分子打印槍支？

在美國(guó)南卡羅來(lái)納州洛克希爾的“3D系統(tǒng)”公司（3D Systems），工廠車間里燈火通明。在工廠的大廳內(nèi)擺放著一些稀奇古怪的東西——一把由尼龍制成的功能完備的吉他，一大堆鑲有暴牙的下頜骨，一頭鯨魚的骨架，一雙五色的、按比例制作的高跟鞋模型，以及玩具機(jī)器人……還有一件物品看上去像是胎兒的臉，該公司的首席市場(chǎng)總監(jiān)凱西·路易斯說(shuō)：“那是由超聲影像制作的。”

所有這些物品有一個(gè)共同特點(diǎn)：都是由機(jī)器根據(jù)數(shù)字文件給出的指令“打印”的，也就是將金屬、陶瓷或塑料等材料逐層堆疊在一起，直到實(shí)現(xiàn)其獨(dú)特的形狀。這個(gè)過(guò)程就叫做3D打印，工業(yè)用語(yǔ)叫“增材制造”。美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在最近的國(guó)情咨文中提出，3D打印“有可能徹底改變我們做幾乎任何事情的方式”。

開創(chuàng)個(gè)性化定制的時(shí)代

在過(guò)去的近30年時(shí)間里，工程師和設(shè)計(jì)師們已經(jīng)在使用大型且昂貴的3D打印機(jī)，為航空航天、國(guó)防和汽車公司制作部件的快速原型。多年來(lái)，數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件趨于成熟，掃描儀已經(jīng)普遍存在，價(jià)格實(shí)惠的臺(tái)式打印機(jī)也被企業(yè)家、學(xué)校和家庭能工巧匠廣泛使用。技術(shù)人員興高采烈地宣稱，3D打印將把我們從大規(guī)模制造霸權(quán)中解放出來(lái)。

在3D系統(tǒng)公司，大廳的貨架上還擺放著顏色鮮艷的微型花瓶、手機(jī)殼、首飾、玩偶，難免還有頭骨——這是一些愛好者為了使這些東西不至于被形容成廉價(jià)的塑料垃圾而用心創(chuàng)意的產(chǎn)品。打印出這些小玩意兒的，是3D系統(tǒng)公司制造的名叫“Cube”的設(shè)備。

Cube就像咖啡機(jī)大小，光滑閃亮，上面有開關(guān)和驅(qū)動(dòng)器插槽。Cube的打印頭將熔化的塑料擠壓在一個(gè)平臺(tái)上，通過(guò)堆積一層層的薄層從而創(chuàng)建出產(chǎn)品。當(dāng)用戶將數(shù)據(jù)化設(shè)計(jì)文件載入Cube后，打印就開始了，Cube能將數(shù)據(jù)對(duì)象“切”成微米厚度的水平層，然后用打印頭把每一層打印疊加起來(lái)。

Cube可以創(chuàng)建16種不同顏色的產(chǎn)品，但一次只能打印一種顏色（打印中不能切換墨盒）。為了制作多種顏色的玩具機(jī)器人，你需要一臺(tái)CubeX Duo處理器，其成本是單色打印機(jī)的兩倍多。

如果你覺得Cube太“小兒科”，那么你可以去3D系統(tǒng)公司的制造間去看看“大家伙”：一組冰箱大小的機(jī)器正面帶有小窗，并被顯示器、鍵盤和中央處理器包圍著。蛇形電纜盤在空中，吸塵器無(wú)處不在，地上有粉狀尼龍。透過(guò)立體平板印刷機(jī)的小窗和刺眼的光線，可以看到一個(gè)大桶內(nèi)充滿了光敏聚合物，正在反復(fù)地被激光轟擊，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，致使深藍(lán)色黏性液體薄層變硬。幾秒鐘后，橫向的閃光和一個(gè)脫模鉗把另一層樹脂散布出去。每層樹脂厚僅50微米，即20分之一毫米。層面越薄，就越能獲得更好的分辨率和更清晰的細(xì)節(jié)。這樣大小的3D打印機(jī)，既可以生產(chǎn)小飾件，也可以生產(chǎn)無(wú)人機(jī)，或者一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的鑄件。

3D打印開創(chuàng)了按需定制的商業(yè)模式，因而與傳統(tǒng)的零售模式相比具有顯著的優(yōu)勢(shì)。想象一下，如果你在家里就能快速又便宜地打印出櫥柜把手（或者掃描你想要的產(chǎn)品，然后發(fā)送email到打印店），把壞的更換掉，那該多好！你不需要跑去商店，商店的庫(kù)存連同運(yùn)輸、裝卸以及儲(chǔ)存的成本也會(huì)縮減。同樣，用3D打印還可以做出完全適合你腳的鞋子來(lái)。到那時(shí)，零售商店可能都不復(fù)存在了。

在傳統(tǒng)制造業(yè)，每增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性就會(huì)花費(fèi)金錢和時(shí)間。而對(duì)于3D打印機(jī)來(lái)說(shuō)，根據(jù)要求打印一個(gè)包在由蜘蛛網(wǎng)覆蓋的螺旋梯內(nèi)的雙螺旋，卻和打印一個(gè)簡(jiǎn)單的試管一樣容易。高分辨率打印機(jī)甚至能夠制作帶有齒輪和鉸鏈的產(chǎn)品。

顯然，3D打印是個(gè)人消費(fèi)的福音，同時(shí)也可能提供巨大的社會(huì)價(jià)值。試想一下，發(fā)展中國(guó)家的小村莊用太陽(yáng)能板來(lái)驅(qū)動(dòng)3D打印機(jī)，打印出農(nóng)場(chǎng)設(shè)備或水泵的部件；試想一下，移動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備迅速部署在地震災(zāi)區(qū)，打印出從手臂夾板到帳篷樁在內(nèi)的任何東西……3D打印技術(shù)的精義就在于：有了設(shè)計(jì)的電子文檔，便可以隨時(shí)隨地生產(chǎn)出產(chǎn)品來(lái)。

打印人體器官

《創(chuàng)新投資雜志》的發(fā)行人彼得·弗里德曼建議：在未來(lái)，汽車經(jīng)銷商可以在車上安裝免費(fèi)打印機(jī)，讓車主們能夠自己制造部件、更換并重新設(shè)計(jì)?！?D打印的未來(lái)并不僅僅是制作人們沒有的東西，”他在一個(gè)專欄中寫道：“它的未來(lái)是制作使人們不朽的東西。”

這些“不朽的東西”中，甚至可能包括人體，或至少是人體的一些部分。

卡洛斯·肯格拉，一個(gè)戴著眼鏡、留著小胡子，體型修長(zhǎng)的年輕男子，在過(guò)去數(shù)年里一直致力于人耳朵的生產(chǎn)。他使用從人耳軟骨上提取的細(xì)胞進(jìn)行打印，然后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行繁殖。在維克森林浸禮會(huì)醫(yī)學(xué)中心，肯格拉撮合再生醫(yī)學(xué)的同行科學(xué)家們與其他實(shí)驗(yàn)室合作，正在開發(fā)處理系統(tǒng)用來(lái)打印肌肉組織、皮膚、腎臟、軟骨和骨骼。多年來(lái)，研究人員一直用手工制造器官，并且已經(jīng)取得了不同程度的成功——手工制作的膀胱已經(jīng)在一些患者身體里運(yùn)作多年；一個(gè)微型的腎臟植入母牛體內(nèi)后，母牛順利地排出了尿液。但手工制作器官費(fèi)力費(fèi)時(shí)，并常常會(huì)出錯(cuò)。而3D打印則能夠快速且完美地制造出器官。

在實(shí)驗(yàn)室里，肯格拉凝視著電腦顯示器，點(diǎn)擊將近100條菜單并啟動(dòng)了三個(gè)打印頭，打印頭在一個(gè)培養(yǎng)皿上盤旋著。對(duì)應(yīng)的三個(gè)墨盒中，一個(gè)含有軟骨細(xì)胞，一個(gè)含有可降解生物支架材料，還有一個(gè)含有水溶性凝膠。打印頭來(lái)回飛快地移動(dòng)，在墨盒間轉(zhuǎn)換，將器官構(gòu)造成每片厚150微米的連續(xù)堆積層?？细窭ㄟ^(guò)光學(xué)顯微鏡和顯示器跟隨打印進(jìn)程，45分鐘后，一個(gè)耳朵的形狀開始浮現(xiàn)。

這項(xiàng)技術(shù)將在未來(lái)的幾年里不斷完善，器官、軟骨、皮膚和組織打印技術(shù)的出現(xiàn)，將使人類延長(zhǎng)壽命成為可能。用病人自身組織再生的移植器官不會(huì)被機(jī)體排異，而且將來(lái)器官販子可能也沒生意可做了。（世界衛(wèi)生組織估計(jì)，2010年在黑市上售出了1萬(wàn)多個(gè)人體器官?。┨幏剿幑究释每焖僭推鞴倩蚪M織來(lái)代替對(duì)動(dòng)物或人類進(jìn)行藥品和其他療法的測(cè)試。

再生醫(yī)學(xué)研究所的領(lǐng)導(dǎo)安東尼·阿塔拉預(yù)言，打印皮膚的機(jī)器進(jìn)入醫(yī)院僅僅是時(shí)間問(wèn)題——從皮下脂肪向上通過(guò)角質(zhì)細(xì)胞到毛囊、皮脂腺和黑色素細(xì)胞，直接打印到病人的身體上?！捌つw是最不復(fù)雜的器官?！卑⑺f(shuō)，“然后，我們將看到從管狀結(jié)構(gòu)到中空、到非中空的器官。”最終也包括心臟嗎？“我希望在我有生之年。”他笑著說(shuō)。

快速處理復(fù)雜情況

快速處理復(fù)雜情況是3D打印最擅長(zhǎng)的。蓮花-雷諾車隊(duì)的工程師們一直在追求更輕、更快和更省油的方程式賽車，而3D打印技術(shù)可以滿足他們的需求。蓮花-雷諾車隊(duì)的先進(jìn)數(shù)字化制造經(jīng)理帕特華納說(shuō)，利用3D打印他能在兩天內(nèi)維修部件，而不是10個(gè)星期。

類似于這樣的高端應(yīng)用提升了3D打印的知名度。目前，航空業(yè)使用的3D打印原件超過(guò)了22000個(gè)。在醫(yī)學(xué)界，人們正在研究3D打印骨科植入物。在這些要求非常高的行業(yè)，3D打印部件表現(xiàn)出了良好的特性。

加拿大設(shè)計(jì)師吉姆·科爾正通過(guò)3D打印來(lái)構(gòu)建一個(gè)重量?jī)H545公斤的三輪水滴形車?？茽柾ㄟ^(guò)組合多個(gè)部件消減重量，例如儀表板和連接管道一起打印，省去了多個(gè)接頭和與其連接的塑料和金屬部件。少了幾分戲劇性的是，面包師從打印頭擠出糖衣來(lái)裝飾蛋糕；單格拍制動(dòng)畫師使用快速原型3D打印機(jī)為電影人物創(chuàng)造數(shù)以千計(jì)的細(xì)致入微的面部表情；數(shù)學(xué)家使用該技術(shù)來(lái)模擬復(fù)雜的幾何形狀；3D 照相亭對(duì)人進(jìn)行掃描并打印他們的頭部或整個(gè)身體的小型復(fù)制品。

沒有計(jì)算機(jī)建模的長(zhǎng)足進(jìn)步，3D打印便不會(huì)繁榮發(fā)展。十年前，生成一個(gè)數(shù)字3D模型需要花費(fèi)幾星期，而現(xiàn)在只需要幾小時(shí)。設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)變得更加方便，掃描儀也變得更加強(qiáng)大和更容易使用。就在最近，微軟公司發(fā)布了基于PC平臺(tái)傳感器的Kinect for Windows，它具有快速創(chuàng)建人與物體詳細(xì)的3D模型的能力。

從人體器官到O型圈，人們對(duì)3D打印帶來(lái)的變革議論紛紛，也有人對(duì)3D打印可能帶來(lái)的各種負(fù)面影響進(jìn)行了預(yù)言。如果家庭打印設(shè)計(jì)未能完成，責(zé)任該由誰(shuí)來(lái)承擔(dān)？產(chǎn)品的知識(shí)產(chǎn)權(quán)能得到保障嗎？3D打印勢(shì)必鼓勵(lì)造假，對(duì)品牌擁有者將造成嚴(yán)重?fù)p失，就像迪士尼的人物角色被制造商廣泛復(fù)制一樣。還有安全問(wèn)題，有人已經(jīng)開始使用從網(wǎng)上下載的設(shè)計(jì)圖來(lái)打印槍支部件了。

所有的新技術(shù)都會(huì)產(chǎn)生贏家和輸家。3D打印將創(chuàng)造新的產(chǎn)業(yè)和新的就業(yè)機(jī)會(huì)，但也會(huì)取代熟練的手工藝人、工匠和使用原材料的設(shè)計(jì)師，就像亞馬遜取代了書店，桌面打印機(jī)廢除了復(fù)印店一樣。不過(guò)得益于互聯(lián)網(wǎng)，3D打印將會(huì)使更多的人成為作家、攝影師、制片人、出版商和宣傳員，也可能使他們成為制造商。

局限與隱憂

就目前而言，3D打印有如下缺點(diǎn)：打印機(jī)只能生產(chǎn)與他們構(gòu)建的平臺(tái)相同大小的物體；大多數(shù)臺(tái)式機(jī)只能用一種或兩種材料來(lái)打印；而且，臺(tái)式3D打印機(jī)缺乏標(biāo)準(zhǔn)化，因此即使采用相同的設(shè)計(jì)文件，不同的機(jī)器也不一定能生產(chǎn)出完全相同的東西。

對(duì)于3D打印，人們尚處在愛恨交錯(cuò)的矛盾之中。與傳統(tǒng)制造方式相比，3D打印能顯著地節(jié)省原材料；更短的供應(yīng)鏈意味著碳排放更低；按需打印可降低庫(kù)存，減少浪費(fèi)。但是3D打印機(jī)的原料，無(wú)論是塑料、石膏粉或金屬，仍然需要從世界各地運(yùn)輸。此外，桌面打印機(jī)使用的ABS塑料來(lái)源于石油或天然氣，在生產(chǎn)原料的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生污染；即使采用由玉米制成的聚乳酸（另一種常見的3D打印材料），也會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，因?yàn)樯a(chǎn)玉米需要肥料、農(nóng)藥和灌溉。

還有人擔(dān)心3D打印產(chǎn)品來(lái)得容易，去得也容易。比如，當(dāng)新的運(yùn)動(dòng)鞋的設(shè)計(jì)從概念提出到擺上貨架只要花幾星期而不是幾個(gè)月，設(shè)計(jì)疲勞也會(huì)來(lái)得更快。結(jié)果呢？將會(huì)有很多設(shè)計(jì)過(guò)時(shí)的運(yùn)動(dòng)鞋被扔進(jìn)垃圾桶里。

3D打印給人們帶來(lái)了自由設(shè)計(jì)的希望，它也讓制造者們可以繞開專業(yè)的材料知識(shí)和流程，不被技術(shù)束縛。就像《聯(lián)線》雜志前主編克里斯·安德森在《制造者：新的工業(yè)革命》一書中所說(shuō)的：“你不需要知道機(jī)器怎么運(yùn)作或者怎么優(yōu)化你的設(shè)備，軟件都幫你搞定了?！辈贿^(guò)，在紐約帕森斯新設(shè)計(jì)學(xué)院任教的建筑理論學(xué)家和設(shè)計(jì)師斯科特·弗朗西斯科說(shuō)：“僅僅在電腦上完成設(shè)計(jì)和制造不一定預(yù)示著美好的未來(lái)，它有可能掩蓋人類的學(xué)習(xí)、創(chuàng)新能力，甚至影響到根據(jù)信息和技術(shù)來(lái)解決問(wèn)題的基本能力?！笔堑?，3D打印本身是一個(gè)創(chuàng)新，但是它減少了設(shè)計(jì)師與合作者面對(duì)面工作的必要性——他們以前需要探討工藝加工，一次又一次地反復(fù)完善。弗朗西斯科擔(dān)心下一代設(shè)計(jì)師會(huì)對(duì)真實(shí)的材料了解得很少，而且不能真實(shí)地感受和了解他人，因而使創(chuàng)新能力大打折扣。

在不遠(yuǎn)的未來(lái)，3D打印技術(shù)將會(huì)在數(shù)量少、結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中大顯身手，如設(shè)計(jì)和生產(chǎn)義肢和飛機(jī)部件。而在低附加值、大規(guī)模生產(chǎn)領(lǐng)域，傳統(tǒng)制造方式仍將占據(jù)主流，尤其在一些發(fā)展中國(guó)家，因?yàn)樗?D打印快速而且成本低廉。

（作者單位：上?？萍拣^）