3D打印技術(shù)重大突破：CRAFT技術(shù)實現(xiàn)低成本高仿真人體手部模型制造

近日，3D打印領(lǐng)域迎來關(guān)鍵性突破——研究人員研發(fā)出新型CRAFT技術(shù)，可利用單一廉價材料，低成本制造出高仿真人體手部模型。該技術(shù)能通過精準調(diào)控材料特性，在單一模型中模擬骨骼、韌帶與肌肉的復(fù)雜連接，為醫(yī)學(xué)教學(xué)提供了優(yōu)于傳統(tǒng)大體標本的理想替代方案。

這種名為“熱塑性塑料增材制造結(jié)晶度調(diào)控技術(shù)”（CRAFT）的3D打印新方法，核心優(yōu)勢在于無需復(fù)雜材料搭配，僅用一種廉價液態(tài)原料，就能在像素級別精準調(diào)控三維物體的機械特性（如硬度）與光學(xué)特性（如透明度）。由得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校與桑迪亞國家實驗室聯(lián)合組成的研究團隊，通過這項技術(shù)，成功將普通廉價液體轉(zhuǎn)化為可靈活變特性的“材料變色龍”。

該團隊已憑借此項技術(shù)，打印出高度還原人體結(jié)構(gòu)的手部模型，完美復(fù)刻了皮膚、韌帶、肌腱和骨骼的不同質(zhì)感與特性。“我們能在三維空間中精準控制分子排列，進而徹底改變材料的機械與光學(xué)特性，”得克薩斯大學(xué)化學(xué)系副教授扎克·佩奇表示，“僅通過調(diào)節(jié)光照強度，就能用極其簡單廉價的原料實現(xiàn)這一切，其核心原理的簡潔性令人振奮。”

CRAFT技術(shù)的核心的是光控特性調(diào)控，其實現(xiàn)路徑簡單且易落地：利用商用3D打印機投射不同光強的灰度圖案，將常見的環(huán)辛烯液態(tài)樹脂轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)復(fù)雜的固體。環(huán)辛烯本身只是一種普通塑料，但研究團隊發(fā)現(xiàn)，通過灰度圖像精準調(diào)控光照強度，可在材料固化過程中精準控制其分子排列，進而讓物體相鄰區(qū)域呈現(xiàn)出截然不同的特性——既能形成堅硬透明的“骨骼類”結(jié)構(gòu)，也能打造柔軟渾濁的“肌肉、韌帶類”組織。

在眾多應(yīng)用場景中，醫(yī)學(xué)教學(xué)是CRAFT技術(shù)最直接、最具價值的落地領(lǐng)域。目前，醫(yī)學(xué)生開展復(fù)雜手術(shù)練習(xí)時，主要依賴大體標本，但這類標本不僅成本高昂、來源稀缺，還存在明顯的倫理爭議；而傳統(tǒng)塑料模型則因觸感、質(zhì)感與真實人體組織差距過大，無法滿足實操訓(xùn)練需求。CRAFT技術(shù)通過在單一模型中模擬骨骼、韌帶和肌肉的精密連接與質(zhì)感差異，恰好填補了這一空白，提供了更優(yōu)的替代方案。

相較于現(xiàn)有高端3D打印技術(shù)，CRAFT技術(shù)還解決了“不同材料融合難”的行業(yè)痛點——以往高端設(shè)備難以實現(xiàn)多種材料的完美融合，導(dǎo)致打印模型的不同材質(zhì)連接處結(jié)構(gòu)脆弱、易損壞；而CRAFT技術(shù)無需搭配多種材料，就能實現(xiàn)類天然人體組織的漸變過渡，既保證了模型的真實性，又提升了耐用性，同時還規(guī)避了生物標本的高成本和復(fù)雜物流挑戰(zhàn)。

除了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，CRAFT技術(shù)的應(yīng)用前景還延伸至多個行業(yè)。它可用于制造頭盔、裝甲等裝備所需的“仿生”能量吸收材料，以及高效隔音材料——其原理借鑒了自然界的堅韌特性，如樹皮的剛?cè)嵯酀鷮訝罱Y(jié)構(gòu)，通過模擬這種結(jié)構(gòu)，制造出能有效吸收沖擊和振動、不易斷裂的高性能材料。

低成本與可持續(xù)性，更是CRAFT技術(shù)的突出優(yōu)勢。相較于以往3D打印技術(shù)，它無需復(fù)雜原料，僅使用簡單廉價的樹脂，且兼容目前市場上最廉價的DLP或LCD 3D打印機——佩奇指出，“只需花費1000美元甚至更低價格，就能獲得具備灰度投影功能的打印機，并立即投入生產(chǎn)”。同時，該技術(shù)還支持可持續(xù)發(fā)展，打印完成的物體可通過熔化或溶劑溶解的方式重塑新形態(tài)，大幅減少材料浪費，雖尚未實現(xiàn)完全可回收，但已能有效降低環(huán)保壓力。

據(jù)悉，此項突破性研究得到了美國能源部、國家科學(xué)基金會和羅伯特·A·韋爾奇基金會的聯(lián)合支持，相關(guān)研究成果已于1月29日正式發(fā)表于《科學(xué)》期刊，有望推動3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)、工業(yè)等多個領(lǐng)域的普及與革新。