分子的游樂場
長期以來，化學(xué)家和分子生物學(xué)家們都使用模型以更好地理解分子結(jié)構(gòu)以及X射線和晶體照相術(shù)獲得的數(shù)據(jù)。DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者、1962年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎獲得者、美國科學(xué)家詹姆斯·沃森和英國科學(xué)家弗朗西斯·克里克就在球和棍子結(jié)構(gòu)的幫助下，最終發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這被普遍看作分子生物學(xué)時代的開端。
亞瑟·奧爾森表示，現(xiàn)在，科學(xué)家們開始使用三維打印技術(shù)鑄造更復(fù)雜的生物系統(tǒng)的模型。30年前，奧爾森在加州斯克里普斯研究所創(chuàng)建了這個分子圖像實驗室。該實驗室包含有由成千上萬個相互作用的蛋白質(zhì)組成的分子環(huán)境，這種環(huán)境其他方法根本不可能制造出來。奧爾森表示，使用三維打印機(jī)：“任何人都能定制出想要的模型”。但也并非每個人都這樣做，很多科學(xué)家不太那么容易獲得打印機(jī)，他們要么沒有想到使用三維打印機(jī)，要么買不起這種打印產(chǎn)品。
然而，奧爾森表示，這些模型會為科學(xué)研究提供重要的信息。當(dāng)他為一個同事打印出一個蛋白質(zhì)，他們發(fā)現(xiàn)，該蛋白質(zhì)周圍有一個了彎曲的空白空間“通道”從中穿過。在計算機(jī)屏幕上，這個導(dǎo)管很難發(fā)現(xiàn)，但是，他們發(fā)現(xiàn)，從模型一邊吹進(jìn)的氣流從另一邊出來，才知道這個通道的存在。確定這種通道的長度將有助于更好地了解這些通道以及它們?nèi)绾芜\(yùn)輸分子。在計算機(jī)上做這些事情可能需要編寫很多新代碼才能完成，但使用這種打印出來的模型，一串字符就可以搞定。
奧爾森表示，讓科學(xué)家們在計算機(jī)屏幕上扭曲和轉(zhuǎn)動這樣的結(jié)構(gòu)的軟件非常有用。但是，僅有這些軟件還不夠。即使最先進(jìn)的軟件也會讓兩個原子占據(jù)同樣的空間。在計算機(jī)內(nèi)對分子進(jìn)行修修補(bǔ)補(bǔ)是一份苦差事，每次將物體轉(zhuǎn)動后，計算機(jī)都需要花費(fèi)很長時間才能重新繪制出物體，另外，解釋這些圖片也需要耗費(fèi)精力。但胡亂擺動一個打印出的物理模型就像玩游戲一樣。奧爾森表示：“我不需要想很多其它事情，我只需要擺動就會有所發(fā)現(xiàn)。”
現(xiàn)在，奧爾森正試圖讓三維打印技術(shù)的觸覺優(yōu)勢和計算機(jī)強(qiáng)大的計算能力“雙劍合璧”，打印出自己想要的研究材料。他已經(jīng)使用小的標(biāo)簽紙給打印出來的模型貼上了標(biāo)簽，網(wǎng)絡(luò)攝像頭可以識別出這些標(biāo)簽，制造出了一個“增強(qiáng)現(xiàn)實”的圖景。采用這種方式，用戶能夠把玩該物理模型，同時使用計算機(jī)探測其他方面，諸如獲得給定分子排列的勢能等。奧爾森也希望使用能夠更容易在堅硬的材料和可彎曲材料之間游刃有余切換的打印機(jī)，以便更好地復(fù)制諸如蛋白質(zhì)折疊等分子行為。
打印出適合細(xì)胞發(fā)育的支架
三維打印機(jī)的打印“墨水”并不局限于塑料。生物學(xué)家們一直在嘗試用打印機(jī)打印出人體細(xì)胞或單個細(xì)胞或能夠自然結(jié)合在一起的多細(xì)胞團(tuán)。這些技術(shù)已經(jīng)成功地制造出了血管和能夠跳動的心臟組織。實現(xiàn)真的可以打印出起作用的器官這一終極夢想可能還有很長的路要走。但從短期來看，科學(xué)家們看到了打印出比在實驗室培養(yǎng)皿中培育出來的普通結(jié)構(gòu)更具生命特征的三維細(xì)胞結(jié)構(gòu)的潛力。
由美國Organovo公司研制的三維生物打印機(jī)如今已可以制造動脈，開發(fā)者稱由這種設(shè)備“打印”的動脈最早有望在5年內(nèi)用于心臟搭橋手術(shù)。目前，這家公司研發(fā)出了一臺能制造出三維組織結(jié)構(gòu)的三維打印機(jī)，打印出的結(jié)構(gòu)能被用來測試藥物。迄今為止，它制造出來的最先進(jìn)的模型用于研究纖維化病癥。纖維化可發(fā)生于多種器官，主要病理改變?yōu)槠鞴俳M織內(nèi)纖維結(jié)締組織增多，實質(zhì)細(xì)胞減少，持續(xù)進(jìn)展可致器官結(jié)構(gòu)破壞和功能減退，乃至衰竭，嚴(yán)重威脅人類健康和生命。公司下一步的目標(biāo)是在這一系統(tǒng)上測試藥物。該公司的首席執(zhí)行官、化學(xué)工程師基斯·墨菲表示：“三維打印機(jī)或許并非是完成這一目標(biāo)的唯一方式，但它確是一種好的方法！
目前，其他科研團(tuán)隊正使用三維打印機(jī)，利用塑料或者膠原蛋白作為原料，打印出細(xì)胞能在其上發(fā)育的支架。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院生物材料團(tuán)隊的生物學(xué)家卡爾·西蒙表示，這種支架的形狀非常復(fù)雜，能夠幫助科學(xué)家們確定細(xì)胞如何發(fā)育或者干細(xì)胞如何分化成為不同的細(xì)胞類型。借用三維打印技術(shù)，科學(xué)家們就可以打印出不同的支架構(gòu)造并用其進(jìn)行試驗以便找出表現(xiàn)最好的支架形狀，而且，這種方式完全在科學(xué)家們的掌控之中。
然而，其中存在的一個問題是大多數(shù)三維打印機(jī)的工作精度僅為幾十微米到幾百微米，然而，細(xì)胞在1微米尺度下才能感應(yīng)分化。英國謝爾菲德大學(xué)的三維打印技術(shù)專家尼爾·霍普金森表示，頂級質(zhì)量的打印機(jī)目前能夠獲得的精確度為100納米。但是，“這仍然還處于實驗室研究階段！
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