3D 打印在動物骨骼制作中的應用

劉 俏，宋波瀾，李 林，蔡旭瓊，杜雨鈴

（湖南文理學院生命與環境科學學院，湖南常德 415000）

動物骨骼標本是生物標本的重要組成部分，不僅在分類學、動物學等相關學科的研究上有著至關重要的意義，且在生物教學上占據重要地位[1]。隨著近年來動物保護及動物標本管控的逐步發展，一些新興技術在動物骨骼制作中不斷應用并逐步得到推廣。因3D 打印技術（3D printing technology） 具有有效控制成本、提高原料利用率、工藝周期短等優點[2-3]，為動物骨骼制作提供了便利條件。因此，檢索了近年來國內外文獻報道，對3D 打印在動物骨骼制作中的應用進行綜述，旨在加深對3D 打印技術和動物骨骼制作的認識，以及為3D 打印技術在動物骨骼制作中的應用提供更多的參考資料。

1 3D 打印技術

1.1 3D 打印技術的原理

3D 打印技術被稱為增材制造，是一種快速成型技術。與傳統加工技術首先建模，進而在原始材料的基礎上通過切割等手段除去多余部分，最終得到目標零件這樣的減材制造過程恰恰相反。增材處理技術則是由計算機圖形文件數據，運用一系列可粘合材料逐層進行打印，最終成型制成實際物體[4]。同時，3D 打印技術是一種具有較高科技含量的綜合性應用技術，綜合了信息技術、數字建模、材料科學與化學等許多領域的知識[5]。

1.2 3D 打印技術的優勢

3D 打印作為一項具有巨大潛力的新興制造技術，具有超越傳統加工制造技術的一些優勢。第一，通過3D 打印技術可將三維數據直接轉變為實體模型，具有準確、快速、直觀的特性[6]；第二，3D 打印基于電子三維數據，方便于投入測試后再次進行修改調整[7]；第三，與傳統減材制造相比，增材制造幾乎不產生原料廢渣，更加環保節約資源。

1.3 3D 打印技術的應用

3D 打印技術順應了時代發展的潮流，滿足了現代先進制造業產品快速迭代、生產周期縮短的需求。目前，已在生物工程、高等教育、口腔科學和機械等多個領域廣泛應用并取得一定的經濟效益。隨著時代發展進步，3D 打印技術也在越來越多領域發揮作用，從機械零件制造、生活用品到生物醫學材料制造，甚至是活體器官打印，其應用前景十分廣泛[8]。

2 動物骨骼標本的意義及所面臨的問題

2.1 動物骨骼標本的意義

標本由于其獨特的科研價值、裝飾價值及收藏價值，一個好的標本不僅僅能給人們提供藝術的鑒賞，增加生活的趣味性，更能在科研中也提供巨大的價值；其可用作教材在課堂上直觀展現，如“動物學”“動物解剖學”等，也可提高學生的感知技能，且讓學生參與制作過程[9]。

動物標本是科研人員進行研究的最基本也最直觀的信息，骨樣本是一種圖像檔案。骨骼標本對于了解動物的歷史，預測其未來發展，以及研究如何保護和發展都有著重要的作用。研究動物骨骼最有效的辦法就是創造骨骼樣本。從科學研究的角度來講，動物骨骼樣本不受時間與空間的限制，能提供有效的證據；從科普宣傳的角度來講，動物骨骼樣本的展覽能夠讓學生更加了解動物的生理構造，并培養對瀕危動物的保護意識[10]。因此，對于教育和科研工作者來講，掌握動物骨骼標本的制作技術具有重要意義。

2.2 動物骨骼標本所面臨的問題

傳統的動物骨骼標本制作困難而且難以保存，并且在運輸和展覽過程中都可能損壞。例如，一套完整無損的動物骨骼樣本，需要經過剝離、剔肉、脫脂、漂白等多重步驟，并按照動物原本結構進行排列安裝，力求還原最真實的樣子。一件中等大小的動物骨骼標本往往需要數月之久才能完成。骨骼標本對于保存過程中的條件要求也十分嚴苛，其由于環境溫度、濕度、動物自身材質和生前個體差異的不同，會有不同程度的損壞。另外，由于每一個標本師的操作手法不同，標本的脫脂程度也會存在較大差異，就會造成骨骼標本在保存過程中出現不同程度的反油現象，從而導致標本被雜菌所污染。這樣的標本又不宜進行二次清理，否則可能加速標本的腐壞。除此之外，骨骼標本材質脆弱，特別是一些珍稀鳥類的標本，除了因為其數量少而導致能制造的標本極少的客觀原因，其一旦損壞，修復起來也會變得十分困難。耗費大量的人力財力物力才能制作出好的骨骼標本，卻常常因為維護保存不當而導致損壞或者部分丟失，造成無法挽回的損失。因此，如何改進傳統骨骼標本的制造是目前面臨的一大難題。

3 3D 打印在動物骨骼制作中的應用及前景

近年來，我國現行法律加大了對野生動物保護管控力度，十三屆全國人大常委會第三十八次會議于2022 年12 月30 日表決通過了修訂后的《中華人民共和國野生動物保護法》，細化了對野生動物種群調控措施，對動物標本追蹤溯源，加大對相關違法行為的處罰力度，在保護野生動物及其棲息地、維護生物多樣性等方面有著重要的意義。動物標本的供不應求，促進了近年來高速發展的新興技術在動物骨骼制作上的應用。動物骨骼標本在分類學、動物學、教學、科普上發揮了重要作用，促進人們對動物的認識和理解。

Li F 等人[11]將使用三維掃描和打印技術制作的數字化模型與原始骨骼標本進行比較，發現在模型與原始標本的精度較高，骨骼測量值的標準差較小。表明3D 打印模型在解剖學教育和獸醫臨床培訓中可以作為原始骨骼標本的一種可行的替代方法。目前，國外已有了一系列關于三維打印在動物學相關學科上的應用，而國內關于三維打印在動物骨骼標本制作方面研究較少，但也有一些成功的案例，主要是對微小動物、昆蟲、哺乳動物等其他動物的研究。

3.1 3D 打印在微小動物骨骼中的應用

微小動物由于其身形較小，人們難以觀察到其細微的形態學特征，制作微小動物的放大模型也是一大難題，3D 打印技術可以為微小動物形態特征的直觀呈現提供一定參考。有學者將3D 打印技術應用于海洋微體古生物的分類學，認為高質量圖像應該提供給科學界作為參考資料，關于這類微小動物的分類學問題可以使用Wiki Web 應用程序來解決[12]。上海自然博物館的繆克佳等人[13]基于3D 打印技術嘗試完成水熊蟲、蜱螨和原尾蟲3 類小型土壤動物的模型，進一步探索該技術在自然博物館展示中的應用。將3D 打印技術應用在微小動物骨骼模型制作中，目前已經取得一定的研究成果，但因其步驟繁瑣、難度較大、單件成本偏高等問題，3D 打印技術在微小動物骨骼中的應用仍存在一定的修改難度。

3.2 3D 打印在昆蟲骨骼中的應用

昆蟲作為動物界數量最多的群體，目前人類已知有100 余萬種，對生態系統和農林業生產有著重要的意義，昆蟲標本的形態學鑒定是對昆蟲進行分類的重要依據。陳秋燕[14]在研究中首次明確了棉鈴蟲成蟲的腦解剖結構，分析共聚焦激光掃描得各結構圖像構建三維結構模型，結合3D 打印技術將三維結構模型轉化為實體模型，該模型不僅可展示棉鈴蟲成蟲的腦解剖結構，而且還可拆卸進行仔細觀察。金光耀等人[15]對云杉八齒小蠹、黑脂大小蠹、雙鉤異翅長蠹、馬鈴薯甲蟲、橙斑白條天牛這5 種具有較高科普意義和價值的檢疫性有害昆蟲的3D 打印模型進行了研究，將通過不同的打印技術所得的成品模型與實物模型標本進行對比，篩選出最適合昆蟲的打印流程。目前，人類已構建出多種昆蟲的三維數字模型，如沙漠蝗蟲、螳螂、蝴蝶等，SLA 打印技術可較好還原出昆蟲的基本特征且細節還原度較高[15]，但還無法實現彩色3D 打印，必須采用人工著色。

3.3 3D 打印在哺乳動物骨骼中的應用

哺乳動物是動物界中生理機能最完善的動物，身體器官結構及相互位置復雜，動物骨骼標本和模型是解剖學不可或缺的教具。Reis D A L D 等人[16]對馬胸肢骨骼的原始骨骼和3D 打印模型的解剖學特征進行對比評估，發現3D 打印模型與標本之間具有很強的相似性，二者之間無明顯統計學差異?？当秾幍热薣17]和牛曉玉等人[18]通過3D 打印技術分別打印出比格犬的胸腔和心臟的解剖模型，采用三維掃描結合3D 打印技術實現了比格犬胸腔高精度三維模型的構建和實體模型的制造，證明以此方法可實現高精度解剖模型的快速制造和批量生產。鄧健全等人[19]在三維重建的基礎上打印出離體豬心臟的高精度冠狀動脈模型，在臨床科研和解剖教學等領域有重要意義。在分析人體骨骼支架實際要求和設計標準的基礎上，王翔[20]通過3D 打印技術開展人工骨胳支架結構設計，在骨骼治療方面提供一定參考資料。目前，關于哺乳動物的實體模型制作仍較少，對于邊緣、縫隙、曲度等部位的數據采集存在較大難度。

而國外的史密森博物館、大都會博物館等知名博物館早已將3D 掃描和打印技術應用于創建新作品，有研究詳細分析了3D 技術在展覽、保護、研究、教育等領域的研究現狀，探究該技術對博物館整體體驗的影響。由此可見，3D 打印技術在動物骨骼上的應用可以在博物館展示、動物學相關學科的研究、臨床醫學、生物教學等領域得到廣泛的應用和推廣，并能發揮其至關重要的作用。

4 3D 打印在動物骨骼制作中的不足及遇到的問題

利用3D 打印制作動物骨骼標本，需要對其原本的骨骼進行數據采集、修正，之后進行建模及打印實物4 個步驟。因存在大量稀缺物種的骨骼標本，制作團隊不能獲得骨骼數據，無法開展進一步研究。趙巖等人[19]以朱鹮為例，人們僅僅能夠通過一些網絡信息資源對其大致了解，無法掌握其全部數據，而且樣本保存單位缺乏專業的研究技術人員。

除此之外，3D 打印的應用也存在一定的局限性。例如制作過程中需要考慮儀器的清潔問題，3D打印對于打印材料有嚴重的限制性，且3D 打印的制度化和標準化是一個持續發展的過程，需要按照政府的要求標準，接受政府監管限制。最后，3D 打印材料的降解也是其的一個重要問題。

5 結語

就目前而言，3D 打印技術在國外已經得到了廣泛應用，主要包括了航空航天、汽車零部件制造、醫學、建筑、軍事和生物科技等領域，并且在智能制造各種產品方向占據了大部分市場。而動物骨骼標本3D 打印可有效地解決使用傳統制作方法之后進行動物骨骼標本在保護收藏、展示中組架安裝的問題。如何科學地制作動物骨骼也是動物骨骼標本應用于教學和展示的關鍵問題。傳統的制作方法極大地影響著骨骼生物特點的保留，標本制作的關鍵是如何降低這些由制作過程中物理、化學方法帶來的影響。通過改進動物骨骼標本的制作工藝與制作理念，已經極大地保留了動物骨骼的基礎生物信息，但或多或少不可避免方法對其的影響。在動物骨骼標本制作與組架的過程中，3D 化的信息細節文件可對這些工作有指導作用，可有效解決動物標本制作與組架的科學性與準確性問題，亦可使用數字化文件對其進行質量評價。對三維打印技術在動物骨骼制作中的應用和所存在的問題進行綜述，旨在為3D打印技術在動物學方面的研究和應用中奠定一定基礎。未來3D 打印的各種動物骨骼模型將廣泛得出現在人們的日常生活之中，應用于生物科學等相關學科的科研和教學之中。