揭秘海胆独特的"3D打印"技术 或启示人类工业制造

　　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。

　　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。