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揭秘海胆独特的"3D打印"技术 或启示人类工业制造

发布时间: 2015-01-29 07:05 来源: 中国网 作者: 吴琼静 点击: 我要评论 条评论)

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环境扫描电子显微镜(environmental scanning electron microscope)下观测到位于海胆牙齿生长端中存在生物矿物晶体,这些晶体经人工上色以便于区分。

中国网1月28日讯(记者 吴琼静)日前,在美国《科学》杂志所评选的科学工程视觉大赛中,来自美国威斯康星大学Pupa Gilbert教授的参评作品获得了照片组的冠军(如上图所示)。看到这张图片中奇特的结构,您或许会认为这是哪位艺术家的大作,但实际上,这是一张用显微镜拍摄的照片,您也许会好奇:哪位艺术家能够在纳米或微米尺度上从事雕刻艺术呢?的确,它们并不是雕刻而成,而是由时下极其热门的“3D打印”技术所制造。但是,这次“3D打印”的主角并非人类,而是海洋生物。获奖图片所展示的正是显微镜下海胆通过自身“3D打印”而生成的牙齿,经过一定的上色和加工后,就呈现出如印象派画作般的美感。

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普通光学显微镜下观测到的海胆牙齿。左图为正面,右图为侧面。图片来源美国威斯康星大学Pupa Gilbert教授

在漫长的历史进程中,海洋生物使用碳酸钙等自然界中普遍存在的材料,制造出形状奇特、功能各异的生物矿物结构来帮助自身适应海洋环境的变化,以此保证自己族群的生生不息。它们所使用的“3D打印”技能不仅能在微观尺度上控制生物矿物的形态,还能使它们所需的矿物结构能快速地生长。

来自Gilbert教授研究组的龚彧韬博士(Dr. Yutao Gong)在接受中国网记者采访时表示,研究团队在美国劳伦斯伯克利国家实验室,使用叫做“先进光源”的同步辐射光源和光电子显微镜研究了海胆内骨骼的形成过程,从而揭示了海洋生物“3D打印”技术的奥秘,该成果已发表在《美国国家科学院院刊》。

龚彧韬博士介绍说,海胆用于“3D打印”的原材料,学名叫做“水合无定型碳酸钙”。这种材料和结晶材料不一样,其在无定型状态下没有固定的形状,这种特性非常有利于“3D打印”过程中的塑形。但是,人造无定型碳酸钙通常很不稳定,比如在接触到水的几秒钟内就会结晶,成为方解石晶体,继而丧失无定型状态下的塑形优势。但是海胆使用的水合无定型碳酸钙却相当稳定,在完成“3D打印”之前不会结晶。海胆的“秘密武器”在于自身能分泌一种叫做“SM50”的生物矿物蛋白,这种蛋白将水合无定型碳酸钙稳定成一个个的纳米颗粒,然后由成骨细胞“添砖加瓦”,将这些容易形变的纳米颗粒添加到正在生长的内骨骼表面。成型之后,SM50蛋白会自动脱落,使得这些纳米颗粒失去稳定效应,以设计好的形状迅速结晶生成单晶方解石。

海胆就是这样将一个个纳米颗粒 “3D打印”成如图2所示的海胆牙齿,以及单晶碳酸钙内骨骼。整个过程的关键在于特定蛋白质(SM50)对于水合无定型碳酸钙纳米颗粒的稳定,从而为“打印”的过程提供了理想材料。

龚彧韬博士对记者说,这些“3D打印”出的生物结构之所以能快速生长,是因为它是由一个一个无定型矿物纳米颗粒堆积而成,比起传统人工生长晶体的方式——由一个一个离子(Ca2+和CO32-离子)添加,会有更高的效率。

此外,更为令人称奇的是,海胆进行内骨骼“3D打印”的时候,生物矿物的生长是在三维空间的各个方向上多点同时进行,而目前工业界常见的“3D打印”技术,却仅仅是只在一个方向上进行。这些特点或许会对今天人类在工业界“3D打印”技术的发展带来更深远的启示。此外,在生物医学等领域也有望实现广阔的应用前景。

(责任编辑:单刀)
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