按P打印

每个自称是极客的人最想要的最新炫酷技术很可能是3D打印机。从塑料玩具到一副备用眼镜，甚至是披萨，谁不想一时兴起就有必要的资金来打印一系列小玩意呢?

现在似乎是挥霍自己的3D打印机的最佳时机:像这样的公司MakerBot3D打印机的售价不到2000美元(约1300英镑)，旨在将3D打印和运行它所需的代码带给公众的原始开源社区正在蓬勃发展。没有必要将打印限制在家里，比如玩具、披萨或其他噱头。在实验室里拥有一台3D打印机正变得越来越时尚。

许多引人注目的科学3D打印都是在生物技术领域，使用生物聚合物打印身体部位，然后将其放置在充满干细胞的生物反应器中。这些干细胞最终会接管，例如，留下一块皮肤，或由患者自己的细胞制成的心脏瓣膜。外科医生甚至打印出了一个没有功能的肾脏安东尼来自美国维克森林再生医学研究所的研究。¹

但为什么要止步于替换身体部位呢?为什么不超越生物学，用3D打印来增强人体呢?今年5月，纳米技术、组织工程和3D打印技术被结合起来打印仿生身体部位——一对可以感知无线电频率的耳朵。这些耳朵是由浸有活软骨细胞的3d打印水凝胶制成的，这些细胞存在于健康的软骨中。除了打印水凝胶和细胞外，还添加了第三种含有纳米导电银的“墨水”，并在中间的特定位置打印了一根线圈天线。这些耳朵可以接收比非仿生人类耳朵更广泛的频率范围，互补的左右耳可以处理立体声。²

不可避免的是，生物应用最能吸引媒体和其他科学家的注意。但化学在3D打印中的作用，以及3D打印在化学中的作用，都不应被低估。

化学需求

为什么不用3D打印机进行有机合成呢?2012年4月，他推出了3D打印的“反动装置”，李·克罗宁英国格拉斯哥大学的研究人员正在进行这项研究。^3.

反动软件是克罗宁给他的连接序列的术语他按订单打印的反应容器．反应器可以通过在催化剂的某些地方印刷或包括一个用于原位纯化的小柱来发挥作用。到目前为止，克罗宁已经成功地用他的印刷反应装置进行了多步有机合成⁴他说，他计划很快在他的网站上发布运行这些特定反应所需的软件代码，在一个开源的反应软件库中。克罗宁希望开放获取的设计将会激增。在他看来，有机合成的未来将不再是一篇论文，而是一轮又一轮的试验和错误，以使反应按照作者报告的方式进行。相反，只需订购一套化学墨水，下载仪器的设计，反应就会自动进行。他说:“液体处理说明可以在没有任何人类互动的情况下合成化合物。”“这确保人们能够更快地复制其他作品。”

尽管克罗宁使用浴室密封剂作为材料，并使用廉价的商业打印机来制作反应器，⁵他对这项技术的雄心壮志是，它将使他能够进行新的、令人兴奋的化学研究。他希望有一天能将打印出来的组织与打印出来的候选药物结合起来，并在一个系统中打印来筛选这些药物。克罗宁建议说，在遥远的未来，发展中国家偏远村庄的护士或医生可以通过拨打这些制药打印机指令，提供简单的止痛药，或者用一套标准的化学“墨水”提供更复杂的药物。

在此之前，3D打印可用于化学的想法需要更广泛地推广，但早期采用者已经取得了一些进展。今年4月，另一组研究人员使用了一些聪明的化学方法3D打印合成材料这有点像活组织。Hagan Bayley牛津大学的霍金想要推进他的研究，即利用细胞状液滴制造微型设备。这些液滴的外面有一个脂质层，当两个液滴结合在一起时，就会形成一个脂质双分子层，将它们固定在适当的位置。多年来，贝利的团队通过手工小心地将液滴放在一起，制造出了小型电池、电路和光响应设备。但这些微小的设备制作起来很费力，需要手工将每一滴液滴移到合适的位置，而且尺寸有限。贝利说:“我们想制造出拥有更多液滴的3D物体。”

这些物体将成为人造组织。贝利的一名学生加布里埃尔·维拉尔(Gabriel Villar)通过建造一台定制的3D打印机来应对挑战，该打印机可以打印出50皮升的液滴。打印机一层一层地制造出一块类似组织的合成材料。

这些组织可以被打印成具有原始功能。例如，一些液滴打印有形成孔隙的蛋白质，当这些蛋白质与其他类似的液滴连接时，通道就形成了。在材料上施加电压可以使离子流动。“组织是不同细胞的集合;它的作用大于各部分的总和，”贝利说。

另一个例子是让组织模仿肌肉的行为。研究小组将不同浓度的盐打印到不同的液滴中。当盐溶液通过渗透作用在液滴之间流动时，液滴的相对大小发生了变化，这使得组织卷曲起来，就像肌肉一样。“我们可以打印大块的这种材料，”贝利说。

他看到了3D打印组织的各种未来应用，包括将酶打印到液滴中，然后在体内制造药物分子，并在所需的位置释放它们。“这些实体没有基因组，所以没有潜在的危险，”他说:“这些人造组织不能复制或突变。”

生物材料的巨大

3D打印生物材料的发展前景更广阔。美国生物医学工程师乔纳森屠夫纽约州伊萨卡市康奈尔大学的一项技术可以打印心脏瓣膜。首先，他用海藻酸盐和聚乙二醇-双丙烯酸酯(PEG-DA)水凝胶打印一个支架，然后用紫外光交联方法将其固定。然后，支架与主动脉细胞一起在生物反应器中孵卵，这些细胞与聚合物水凝胶结合，最终组成打印的主动脉。

但布彻想改进他打印的支架，使它们具有更好的机械性能。水凝胶的不同硬度可以促使干细胞分化成特定类型的细胞。在同一材料的不同位置打印不同硬度的水凝胶，可能会产生一种具有干细胞蓝图的材料，使干细胞在这些位置成为特定的其他细胞。布彻说:“我们的想法是制造一个不仅复杂，而且具有局部异质性的3D组织。”

水凝胶的专家控制Ulijn在格拉斯哥斯特拉斯克莱德大学，他自己并没有进行任何印刷，但正在研究一个类似的问题。他说，3D打印机在位置控制方面非常出色，他看到了利用3D打印机制造分子材料的巨大潜力，这些分子材料中含有指令——这些指令可能是用于干细胞的。

乌利金说:“组织在整体上并不是同质的。”器官尤其复杂，由许多不同类型的细胞组成。和布彻一样，乌利金也在研发软或硬的凝胶。他说，在这些系统中，软凝胶可以从干细胞中产生神经细胞，而硬凝胶可以产生骨细胞。一个衍生公司，BioGelX已经开始制作这些凝胶，他已经收到了来自其他团队的询问，希望购买用于打印的凝胶。乌利金说:“对我们来说，这是合乎逻辑的下一步。”

他的目标不仅仅是替换身体部位。尤利恩感兴趣的是制造一种凝胶，这种凝胶可能有一天会成为连接生物学和电子学的界面，类似于仿生耳朵。Ulijn的团队已经报道了一种与液晶结合的水凝胶，用来制作酶活性的光学传感器。⁶打印在开发这些材料中起着不可或缺的作用，乌利金说。“我们的专长是制作凝胶。为了将它们与电子设备连接起来，我们需要控制凝胶和细胞放在需要它们的地方。”

实验室主力

目前，3D打印的复杂用途，如贝利的组织，布彻的瓣膜和克罗宁的反应器，仅限于少数几个小组，但3D打印机没有理由不能在化学实验室中发挥更实用的作用。博士生詹姆斯·班诺克约翰·德·梅洛英国伦敦帝国理工学院塑料电子学中心的研究员，正在研究新型塑料电子学和纳米材料。班诺克使用3D打印机来帮助加快他的研究。

“3D打印的零件到处都是，”他在谈到德梅洛实验室时说。班诺克说:“我们可以制造出原本不可能或不必要耗时的部件。”他补充说，当需要多个相同的部件时，这种方法尤其有用。这些简单的部件包括色谱柱支架和将光纤电缆连接到光电探测器芯片的部件。但该小组还打印了更复杂的工具来帮助他们的研究，包括一个定制的多角度光散射仪，用于确定聚合物的分子量。

班诺克说，德梅洛首先得到了一台3D打印机，用于先进的本科教学实验室。学生们必须建立、测试和开发一个简单的吸收分光光度计——使用网络摄像头、衍射光栅、LED和它们的样品。学生们必须设计一些东西，使每个组件处于光谱仪工作的最佳配置。多亏了基于网络的3D打印设计工具Sketchup，这对学生来说更容易。班诺克说:“我们的想法是展示光谱仪是如何工作的，以及如何建造自己的仪器。”班诺克说，这个实验在学生中很受欢迎，从下往上理解机器是如何工作的，以及自己做一些有用的东西的满足感是这种吸引力的一部分。

虽然克罗宁成功地用浴室密封胶作为基本墨水来打印他的反应器，但其他人却很难以合适的价格找到合适的材料。班诺克说，对于化学家来说，现成的3D打印机用途有限。他说:“大多数材料对任何有机物都不耐受。”他补充说，有必要转向聚四氟乙烯衍生物。班诺克说:“我已经联系了生产打印机的主要公司，但似乎没有一家公司尝试过这样做，尽管起始材料随处可见。”他说，公司需要进行的投资正在拖延。

除了化学，材料也是3D打印在其他学科的限制因素。菲利普·考克斯他是英国赫尔约克医学院的动物学家。他使用3D打印机来帮助建模头骨和牙齿，以了解它们的生物力学。考克斯说:“我们发现，打印出这些模型真的很有帮助，这样我们就可以更好地了解它在三维空间中的样子。”他还有一个学生正在研究不同牙齿形状的特性，她正在使用3D打印机制作理想形状的牙齿。考克斯说:“不幸的是，我们使用的材料似乎不够坚固，无法直接在压缩测试器中使用牙齿。”相反，他们将用传统的方式制作模具和铸造金属齿。他说:“现在有金属打印的3D打印机，但目前价格非常昂贵。”

自定义工具

但作为打印一次性定制实验室设备的工具——只要材料合适——3D打印机可能是革命性的。罗素Neches是一名研究系统发育学的研究生，系统发育学研究生物群体在进化过程中的关系。Neches在乔纳森·艾森的他在美国加州大学戴维斯分校实验室使用3D打印机做了复杂的液体处理实验。他曾试图从机器人制造商那里订购更常见的机器人，这些机器人通常用于制造Neches从他的5万多个样本中提取和稀释DNA所需的多移液工具，但市面上的机器人(而且非常昂贵)都不够快。

内切斯的打印机价值1100美元，他已经用它打印出了移液管尖端，在他打印样品的平板上打印出了定制尺寸的孔，以及用于显微镜的载玻片旋转传送带。他说:“3D打印的独特之处在于，制造一个定制零件实际上很简单。”内切斯希望3D打印最终将被用于帮助科学民主化，并让研究经费较少的人更容易获得传统昂贵的设备。

但在你冲出去试着打印一些实验套件之前，还有另一个障碍需要克服——被称为CAD(计算机辅助设计)的设计软件。CAD最初是为建筑项目开发的，众所周知，它很难掌握。但随着3D打印技术的兴起和塑料噱头的流行，这种情况有所改善，内奇斯说。他说:“(3D打印)真正困难的部分是软件，而软件正在迅速改进。”

你可以自己编写软件，这就是Cronin所做的。他的目标很高——他希望看到一个化学应用程序商店从人们对3D打印日益增长的兴趣中发展出来。“拥有更好的集成软件将有助于开放获取，”克罗宁说，这与原始3D打印机的开源精神相呼应Fab@Home(由康奈尔大学开发)和RepRap(来自巴斯大学)。

这种情况何时发生仍是一个悬而未决的问题。克罗宁说，就目前而言，“在一段时间内，它还会是狂热的。”但是，随着越来越多的实验室意识到3D打印机可以廉价地帮助他们建立定制的实验室套件，运行反应，甚至使科学大众化，这种情况可能会改变。克罗宁说，我认为它很快就会爆发。

凯瑟琳·桑德森(Katharine Sanderson)，法国福瓦科学作家