三維打印技術與野生動物骨骼標本制作

趙 巖 趙素芬 李 輝 盧 巖＊ 張成林，＊

（1.北京動物園，北京100044；2.圈養野生動物技術北京市重點實驗室，北京100044）

0 引言

野生動物作為生態系統的重要組成部分，因生存環境、習性、數量、分布等多方面因素，其研究工作目前并不全面[1]。近年來，隨著野生動物保護工作引起社會的廣泛關注，野生動物保護研究也逐步開展，新技術在野生動物領域的開發及應用也逐步推廣。三維打印技術（Three Dimensional Printing）因眾多技術優點及快速發展，目前已從傳統的模具制造擴展至精密零部件打印，甚至DNA打印與生命重塑[2]。將3D打印技術引入野生動物保護領域，可以構建野生動物標本、骨骼、器官、卵等模型，有望服務野生動物飼養、管理、繁育、保護等各項技術工作。骨骼標本的3D掃描和打印或可作為3D打印技術在野生動物領域研究和推廣的技術突破口，進行無損傷研究及廣泛應用。鑒于此，本文從3D打印技術以及其在野生動物骨骼標本制作中可能存在的問題及應用前景進行綜述，以期擴展野生動物基礎學科研究，滿足野生動物的疾病診療、研究、教學、宣傳和科普。

1 3 D打印技術及其應用

1.1 3D打印技術原理

三維打印技術，亦被定義為“快速成型技術”“增材制造技術”[3，4]，與傳統去除多余部分的制造方式相反。簡言之，其本質是基于模型數據，將三維模型拆分為無數個二維平面，逐層打印，生產出立體模型[5]。

19世紀末，3D打印技術的概念既已誕生，隨著相關技術的發展，至20世紀80年代，3D打印技術真正落實并逐漸得以應用。成熟的3D打印技術并非一蹴而就，期間經歷著許多的技術和材料的更新。1986年，Chuck Hull發明了光固化立體成型技術（Stereo lithography appearance，SLA），制造出第一臺3D打印機[5，6]，這標志著3D打印技術第一次從構想中脫胎到實際生產中來。1989年，Deck-arD發明選擇性激光燒結技術（Select laser sintering，SLS）[7，8]；1992年，Crump發明熔融沉積成型技術（Fused Deposition M odeling，FDM）[9]；1993年，Sachs發明了3D噴印技術（Three Dimensional Printing，3DP）[8，10，11]等 等。 直 至2005年，世界上第一臺高清晰彩色3D打印機由Z Corporation研發成功[12]，這標志了3D打印技術已經相對成熟。與傳統加工方法相比，基于3D打印技術的加工方式更為高效、精密、制作流程簡便，對傳統加工制造業被迫過度生產、剔除邊角料等不足進行了有效改善，且在質量和精細度上均優越于傳統制作業[13]。

1.2 3D打印技術的廣泛應用

目前，此后3D打印技術迅速被應用于醫療、軍工、汽車、航空、產品制造設計、快速模具制造、珠寶制造等多個領域[14-16]，并在很大程度上改變了制造業的發展方向。在醫學領域，3D打印技術已應用至人體器官模型，并取得了一定成績，如創建個性化顱骨病損模型等[17,18]。特別是在骨科已相對成熟，成為個體化、個性化治療的重要技術工具。然而，在醫療領域因打印原材料性質有限，其應用其受到一定程度的限制[19]。此外，圖像技術的發展也對3D打印技術的應用起到決定性作用[20]。現階段，醫學超聲圖像已滿足直接提取原始醫學圖像，經三維渲染后重建較高保真度三維模型[21]。

2 野生動物骨骼標本的作用及面臨的問題

早期的動物標本主要用于動物分類學上確定物種。動物標本為物種信息的載體，是動物分類、形態解剖、區系與系統進化、生物多樣性及瀕危物種保護等研究的重要科學依據[22]。研究者可通過標本信息，掌握該物種基本形態特征，以此界定物種分類，研究物種分布及其歷史、現狀、系統演化的證據，同時也在專業教學、科普宣傳、弘揚綠色文明中發揮著重要的作用[22]。

然而，傳統動物標本制作過程繁雜、難以保存、運輸和展覽過程中易損。例如：一套完整的動物骨骼標本，需要經過剝離、剔肉、脫脂、漂白，并按照自然狀態和位置進行串聯安裝等多個步驟，一件中等體型動物骨骼標本的制作周期往往長達數月[23]。骨骼標本在保存過程中在環境溫度、濕度、動物自身材質和生前體質等因素作用下，隨著時間的推移會出現不同程度的損壞。另外，由于標本制作師操作手法不同，骨骼標本的脫脂程度會存在較大差異，動物骨骼標本在保存過程中出現不同程度的反油現象，從而導致標本容易附著臟物，滋生霉菌，因不易進行二次清理，在水氣、塵土的作用下加速了標本的腐壞。此外，骨骼標本較為脆弱，特別是一些珍稀鳥類標本，如朱鹮等，不僅因動物數量稀少，可制作標本的極少，且在運輸途中一旦發生損壞，還不易修復。耗費大量時間、人力、財力制作好的骨骼標本，常因維護不當，導致毀壞或部件遺失，造成珍貴標本不可挽回的損失。因此，傳統動物骨骼標本難以滿足人們對信息資源獲取的更高需求。

鑒于此，筆者設想將3D打印技術應用于野生動物骨骼標本制作。若要實現3D打印技術在該領域的應用，除技術問題本身，還須考慮打印材料的性質，目前可用材料包括金屬、聚合物和陶瓷等[7]。打印材料的選擇與研發仍是3D打印技術的重要課題。使用聚合物打印材料，基本可以滿足動物骨骼標本在該領域的應用，兼之較低的成本、高效的原料利用率和簡便的制作流程[7]等優點，該新型打印技術可以作為成熟的技術工具，進行野生動物標本制作的研發和試驗，以其可再生性和聚合物打印材料易于保存等特點，應用于野生動物骨骼標本的制作與保護。

3 3 D打印技術在野生動物骨骼標本中的應用

目前，國內關于3D打印技術應用于野生動物的報道雖少，但亦有成功案例，如2016年廣州動物園利用3D打印技術為1只失去上喙的丹頂鶴制造并安裝義喙，丹頂鶴可正常采食，國外亦有多例3D打印技術幫助殘疾動物獲得新生的報道[24]。此外，國外學者已有將3D打印技術與野生動物骨骼標本制作相結合的先例，如2015年8月，美國Dem Bones團隊3D打印出了一整套犬科骨骼的模型，并在關節處加裝磁鐵，既靈活自如，又便于拆卸和重新組裝。可見，該技術可以在野生動物骨骼標本的制作、科學研究、保護、宣傳教育等領域進行推廣。通過三維掃描技術，可將骨骼標本參數數字化，隨用隨打標本模型，成本低廉，且打印材料穩定，模型受自然環境影響較小；獲得的骨骼數據可以根據后續要求進行調整，如單獨放大或者縮小打印某一處骨骼，進行重點研究、教學、展覽宣傳使用。

4 3 D打印在野生動物骨骼標本制作存在的不足

采用3D打印技術制作動物骨骼標本，需完成骨骼樣品數據采集、數據修正、骨骼建模及3D打印4個過程。在野生動物骨骼標本制作暴露的不足，主要源于骨骼數據的缺如。珍稀物種的骨骼標本，只在少數動物園、研究所保存，目前3D打印行業的高精團隊因種種原因未獲得這些數據，不能進行有效的開發研究。以朱鹮為例，因物種稀缺，在我國僅個別動物園或保護基地飼養，許多學者僅能通過圖片、影像、文字資料對其大體了解，無法全面掌握物種的全部數據，樣本保存單位又缺乏系統研究的技術人員。因此，野生動物目前缺乏系統全面的骨骼三維掃描和3D打印研究。

5 小結與展望

隨著“大數據”和“數據庫”概念的引入，骨科疾病及考古學已建立骨骼相關的數據庫[25]，建立珍稀野生動物骨骼數據庫亦是未來研究趨勢。將3D打印技術與野生動物標本制作相結合，應用于骨骼標本的制作與保護，并將技術推廣應用于各類瀕危野生動物，在輔助臨床醫療工作，提高珍稀動物尸體的利用率的同時，逐步建立瀕危野生動物標本數據庫及3D打印技術平臺，實現標本模型向同行業、高校、博物館等機構的輸出，以完善的數據、較低的成本、較高的效率和有效的保護，滿足野生動物的疾病診療、研究、教學、宣傳和科普，對野生動物保護有一定的實際意義。