3D打印技術在生物膜流動鑲嵌模型制作中的應用

宋美奈

(山東省青島市城陽第一高級中學 266108)

李方正*

(山東省青島農業大學動物醫學院 266109)

3D打印技術又稱增材制造，是一種快速成型技術。3D打印以數字模型為基礎，以塑料、金屬、陶瓷、石膏和尼龍等材料為打印原料，通過逐層疊加的方式來構造物體。3D打印技術是以三維數字模型為模板進行打印，具有直觀顯示物體三維立體結構的優勢。

“生物膜的流動鑲嵌模型”是人教版高中生物學教材《分子與細胞》第4章“細胞的物質輸入和輸出”第2節的主要內容。本節內容是在學習“細胞膜——系統邊界”和“物質跨膜運輸的實例”知識的基礎上，進一步領悟結構與功能相適應的生物學基本觀點，也為下一節“物質跨膜運輸的方式”的學習做好知識鋪墊[1]。學習生物膜的流動鑲嵌模型就是為了掌握結構與功能相適應的觀點，特別是要掌握細胞的分界、物質的跨膜運輸、信號轉導、胞間連接與識別等功能與結構的相關性。但是，“生物膜的流動鑲嵌模型”畢竟是一種推測的抽象模型，特別是動態的過程學生是看不見、摸不著和全憑想象理解。應用3D打印技術將“生物膜的流動鑲嵌模型”結構模式圖轉換為實物模型，使抽象結構變為直觀的三維結構，能夠幫助學生更好地理解教學內容。

1 材料與方法

1.1 模型構建 采用3D Max軟件進行細胞膜三維模型的構建[2]。磷脂的球形頭部采用3D Max的基本工具中的球體工具建立，疏水性尾部采用放樣建模的方式創建，將兩者組合起來，構成磷脂分子模型。然后，將磷脂模型復制排列組成細胞膜的基本框架。細胞膜中的蛋白質采用多邊形模型方式構建，根據結構模式圖中的蛋白形狀，通過修改定點的方式構建出跨膜蛋白、鑲嵌蛋白和糖蛋白的模型。

1.2 模型渲染 細胞膜的三維模型構建完成后，采用材質編輯器對細胞膜的不同部分賦予相應的材質，以區分出細胞膜不同的結構。然后用3D Max的默認渲染器渲染得到細胞膜的三維模型圖片。

1.3 模型的3D打印和打印后處理 將3D Max制作的細胞膜模型以obj格式文件導出，用3D Star軟件導入細胞膜模型，在軟件中調整好模型在打印控件中的X、Y、Z坐標位置，并根據打印機的成型尺寸設置打印的比例，確定合適體積。因為懸空的結構容易脫落，所以要根據細胞膜模型的結構特點設置合適的打印支撐，設置完成后進行切片化處理生成打印路徑。本研究采用熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling， FDM)3D打印機進行模型的快速制作，打印噴頭設定為220℃，選用白色的聚乳酸(polylactic acid， PLA)進行打印[3]。

打印出的模型去掉支撐后進行拋光處理，然后采用丙烯顏料進行涂色，以更好地區分細胞膜各部分結構。

2 結果與分析

通過3D Max的幾何體建模、放樣建模和多邊形建模等方式建立了細胞膜的流動鑲嵌模型。在此模型上能夠清晰地顯示出磷脂的磷酸頭部和脂肪酸尾部。大量磷脂分子排列形成磷脂雙分子層，組成細胞膜的基本骨架。細胞膜上的鑲嵌蛋白、跨膜蛋白和糖蛋白都能夠顯示(圖1)。打印出的模型經過拋光處理和丙烯顏料涂色后，能夠清晰地區分出細胞膜的磷脂、跨膜蛋白、鑲嵌蛋白和糖蛋白等不同結構。打印后的實體模型比模式圖和三維數字模型更加直觀，能夠將教材上抽象的結構具體化，便于學生掌握。

圖1 細胞膜結構三維模型圖1.糖鏈；2.鑲嵌蛋白；3.磷脂頭部；4.跨膜蛋白；5.離子通道

3 討論與反思

細胞膜結構的教學內容抽象，雖然在教學中采用多媒體輔助教學介紹細胞膜結構模式圖，但學生還是普遍感到細胞膜的微觀結構較難理解。通過生物學顯微鏡也觀察不到細胞膜的微細結構，且只是簡單的二維線性圖形，學生要在頭腦中將簡單的二維線性圖像轉換成復雜的三維立體結構，是比較困難的。

應用3D打印技術制作的3D細胞膜模型充分地顯示出膜選擇透過性功能是由膜的骨架脂質雙層和蛋白質共同決定，顯示出作為膜受體、酶類或離子通道的鑲嵌蛋白和跨膜蛋白，顯示出與膜的信息和識別功能相關的膜表面的糖蛋白，有助于學生建立結構與功能相適應的生命觀念。

(第一作者為高中學生；*指導教師、通信作者)