分子的游乐场

    长期以来，化学家和分子生物学家们都使用模型以更好地理解分子结构以及X射线和晶体照相术获得的数据。DNA结构的发现者、1962年诺贝尔医学奖获得者、美国科学家詹姆斯·沃森和英国科学家弗朗西斯·克里克就在球和棍子结构的帮助下，最终发现了DNA的双螺旋结构，这被普遍看作分子生物学时代的开端。

    亚瑟·奥尔森表示，现在，科学家们开始使用三维打印技术铸造更复杂的生物系统的模型。30年前，奥尔森在加州斯克里普斯研究所创建了这个分子图像实验室。该实验室包含有由成千上万个相互作用的蛋白质组成的分子环境，这种环境其他方法根本不可能制造出来。奥尔森表示，使用三维打印机：“任何人都能定制出想要的模型”。但也并非每个人都这样做，很多科学家不太那么容易获得打印机，他们要么没有想到使用三维打印机，要么买不起这种打印产品。

    然而，奥尔森表示，这些模型会为科学研究提供重要的信息。当他为一个同事打印出一个蛋白质，他们发现，该蛋白质周围有一个了弯曲的空白空间“通道”从中穿过。在计算机屏幕上，这个导管很难发现，但是，他们发现，从模型一边吹进的气流从另一边出来，才知道这个通道的存在。确定这种通道的长度将有助于更好地了解这些通道以及它们如何运输分子。在计算机上做这些事情可能需要编写很多新代码才能完成，但使用这种打印出来的模型，一串字符就可以搞定。

    奥尔森表示，让科学家们在计算机屏幕上扭曲和转动这样的结构的软件非常有用。但是，仅有这些软件还不够。即使最先进的软件也会让两个原子占据同样的空间。在计算机内对分子进行修修补补是一份苦差事，每次将物体转动后，计算机都需要花费很长时间才能重新绘制出物体，另外，解释这些图片也需要耗费精力。但胡乱摆动一个打印出的物理模型就像玩游戏一样。奥尔森表示：“我不需要想很多其它事情，我只需要摆动就会有所发现。”

    现在，奥尔森正试图让三维打印技术的触觉优势和计算机强大的计算能力“双剑合璧”，打印出自己想要的研究材料。他已经使用小的标签纸给打印出来的模型贴上了标签，网络摄像头可以识别出这些标签，制造出了一个“增强现实”的图景。采用这种方式，用户能够把玩该物理模型，同时使用计算机探测其他方面，诸如获得给定分子排列的势能等。奥尔森也希望使用能够更容易在坚硬的材料和可弯曲材料之间游刃有余切换的打印机，以便更好地复制诸如蛋白质折叠等分子行为。

    打印出适合细胞发育的支架

    三维打印机的打印“墨水”并不局限于塑料。生物学家们一直在尝试用打印机打印出人体细胞或单个细胞或能够自然结合在一起的多细胞团。这些技术已经成功地制造出了血管和能够跳动的心脏组织。实现真的可以打印出起作用的器官这一终极梦想可能还有很长的路要走。但从短期来看，科学家们看到了打印出比在实验室培养皿中培育出来的普通结构更具生命特征的三维细胞结构的潜力。

    由美国Organovo公司研制的三维生物打印机如今已可以制造动脉，开发者称由这种设备“打印”的动脉最早有望在5年内用于心脏搭桥手术。目前，这家公司研发出了一台能制造出三维组织结构的三维打印机，打印出的结构能被用来测试药物。迄今为止，它制造出来的最先进的模型用于研究纤维化病症。纤维化可发生于多种器官，主要病理改变为器官组织内纤维结缔组织增多，实质细胞减少，持续进展可致器官结构破坏和功能减退，乃至衰竭，严重威胁人类健康和生命。公司下一步的目标是在这一系统上测试药物。该公司的首席执行官、化学工程师基斯·墨菲表示：“三维打印机或许并非是完成这一目标的唯一方式，但它确是一种好的方法。”

    目前，其他科研团队正使用三维打印机，利用塑料或者胶原蛋白作为原料，打印出细胞能在其上发育的支架。美国国家标准与技术研究院生物材料团队的生物学家卡尔·西蒙表示，这种支架的形状非常复杂，能够帮助科学家们确定细胞如何发育或者干细胞如何分化成为不同的细胞类型。借用三维打印技术，科学家们就可以打印出不同的支架构造并用其进行试验以便找出表现最好的支架形状，而且，这种方式完全在科学家们的掌控之中。

    然而，其中存在的一个问题是大多数三维打印机的工作精度仅为几十微米到几百微米，然而，细胞在1微米尺度下才能感应分化。英国谢尔菲德大学的三维打印技术专家尼尔·霍普金森表示，顶级质量的打印机目前能够获得的精确度为100纳米。但是，“这仍然还处于实验室研究阶段。”