3D打印技術(shù)重大突破：CRAFT技術(shù)實(shí)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(lái)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(jià)材料，低成本制造出高仿真人體手部模型。該技術(shù)能通過(guò)精準(zhǔn)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(biāo)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(shì)在于無(wú)需復(fù)雜材料搭配，僅用一種廉價(jià)液態(tài)原料，就能在像素級(jí)別精準(zhǔn)調(diào)控三維物體的機(jī)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合組成的研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，成功將普通廉價(jià)液體轉(zhuǎn)化為可靈活變特性的“材料變色龍”。

該團(tuán)隊(duì)已憑借此項(xiàng)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(zhǔn)控制分子排列，進(jìn)而徹底改變材料的機(jī)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(guò)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，就能用極其簡(jiǎn)單廉價(jià)的原料實(shí)現(xiàn)這一切，其核心原理的簡(jiǎn)潔性令人振奮。”

CRAFT技術(shù)的核心的是光控特性調(diào)控，其實(shí)現(xiàn)路徑簡(jiǎn)單且易落地：利用商用3D打印機(jī)投射不同光強(qiáng)的灰度圖案，將常見(jiàn)的環(huán)辛烯液態(tài)樹(shù)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)灰度圖像精準(zhǔn)調(diào)控光照強(qiáng)度，可在材料固化過(guò)程中精準(zhǔn)控制其分子排列，進(jìn)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(jiān)硬透明的“骨骼類(lèi)”結(jié)構(gòu)，也能打造柔軟渾濁的“肌肉、韌帶類(lèi)”組織。

在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中，醫(yī)學(xué)教學(xué)是CRAFT技術(shù)最直接、最具價(jià)值的落地領(lǐng)域。目前，醫(yī)學(xué)生開(kāi)展復(fù)雜手術(shù)練習(xí)時(shí)，主要依賴大體標(biāo)本，但這類(lèi)標(biāo)本不僅成本高昂、來(lái)源稀缺，還存在明顯的倫理爭(zhēng)議；而傳統(tǒng)塑料模型則因觸感、質(zhì)感與真實(shí)人體組織差距過(guò)大，無(wú)法滿足實(shí)操訓(xùn)練需求。CRAFT技術(shù)通過(guò)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(bǔ)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(diǎn)——以往高端設(shè)備難以實(shí)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(wú)需搭配多種材料，就能實(shí)現(xiàn)類(lèi)天然人體組織的漸變過(guò)渡，既保證了模型的真實(shí)性，又提升了耐用性，同時(shí)還規(guī)避了生物標(biāo)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(gè)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(jiān)韌特性，如樹(shù)皮的剛?cè)嵯酀?jì)層狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)模擬這種結(jié)構(gòu)，制造出能有效吸收沖擊和振動(dòng)、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(shì)。相較于以往3D打印技術(shù)，它無(wú)需復(fù)雜原料，僅使用簡(jiǎn)單廉價(jià)的樹(shù)脂，且兼容目前市場(chǎng)上最廉價(jià)的DLP或LCD 3D打印機(jī)——佩奇指出，“只需花費(fèi)1000美元甚至更低價(jià)格，就能獲得具備灰度投影功能的打印機(jī)，并立即投入生產(chǎn)”。同時(shí)，該技術(shù)還支持可持續(xù)發(fā)展，打印完成的物體可通過(guò)熔化或溶劑溶解的方式重塑新形態(tài)，大幅減少材料浪費(fèi)，雖尚未實(shí)現(xiàn)完全可回收，但已能有效降低環(huán)保壓力。

據(jù)悉，此項(xiàng)突破性研究得到了美國(guó)能源部、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和羅伯特·A·韋爾奇基金會(huì)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(dòng)3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)、工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域的普及與革新。