三维打印技术与野生动物骨骼标本制作

赵 岩 赵素芬 李 辉 卢 岩＊ 张成林，＊

（1.北京动物园，北京100044；2.圈养野生动物技术北京市重点实验室，北京100044）

0 引言

野生动物作为生态系统的重要组成部分，因生存环境、习性、数量、分布等多方面因素，其研究工作目前并不全面[1]。近年来，随着野生动物保护工作引起社会的广泛关注，野生动物保护研究也逐步开展，新技术在野生动物领域的开发及应用也逐步推广。三维打印技术（Three Dimensional Printing）因众多技术优点及快速发展，目前已从传统的模具制造扩展至精密零部件打印，甚至DNA打印与生命重塑[2]。将3D打印技术引入野生动物保护领域，可以构建野生动物标本、骨骼、器官、卵等模型，有望服务野生动物饲养、管理、繁育、保护等各项技术工作。骨骼标本的3D扫描和打印或可作为3D打印技术在野生动物领域研究和推广的技术突破口，进行无损伤研究及广泛应用。鉴于此，本文从3D打印技术以及其在野生动物骨骼标本制作中可能存在的问题及应用前景进行综述，以期扩展野生动物基础学科研究，满足野生动物的疾病诊疗、研究、教学、宣传和科普。

1 3 D打印技术及其应用

1.1 3D打印技术原理

三维打印技术，亦被定义为“快速成型技术”“增材制造技术”[3，4]，与传统去除多余部分的制造方式相反。简言之，其本质是基于模型数据，将三维模型拆分为无数个二维平面，逐层打印，生产出立体模型[5]。

19世纪末，3D打印技术的概念既已诞生，随着相关技术的发展，至20世纪80年代，3D打印技术真正落实并逐渐得以应用。成熟的3D打印技术并非一蹴而就，期间经历着许多的技术和材料的更新。1986年，Chuck Hull发明了光固化立体成型技术（Stereo lithography appearance，SLA），制造出第一台3D打印机[5，6]，这标志着3D打印技术第一次从构想中脱胎到实际生产中来。1989年，Deck-arD发明选择性激光烧结技术（Select laser sintering，SLS）[7，8]；1992年，Crump发明熔融沉积成型技术（Fused Deposition M odeling，FDM）[9]；1993年，Sachs发明了3D喷印技术（Three Dimensional Printing，3DP）[8，10，11]等 等。 直 至2005年，世界上第一台高清晰彩色3D打印机由Z Corporation研发成功[12]，这标志了3D打印技术已经相对成熟。与传统加工方法相比，基于3D打印技术的加工方式更为高效、精密、制作流程简便，对传统加工制造业被迫过度生产、剔除边角料等不足进行了有效改善，且在质量和精细度上均优越于传统制作业[13]。

1.2 3D打印技术的广泛应用

目前，此后3D打印技术迅速被应用于医疗、军工、汽车、航空、产品制造设计、快速模具制造、珠宝制造等多个领域[14-16]，并在很大程度上改变了制造业的发展方向。在医学领域，3D打印技术已应用至人体器官模型，并取得了一定成绩，如创建个性化颅骨病损模型等[17,18]。特别是在骨科已相对成熟，成为个体化、个性化治疗的重要技术工具。然而，在医疗领域因打印原材料性质有限，其应用其受到一定程度的限制[19]。此外，图像技术的发展也对3D打印技术的应用起到决定性作用[20]。现阶段，医学超声图像已满足直接提取原始医学图像，经三维渲染后重建较高保真度三维模型[21]。

2 野生动物骨骼标本的作用及面临的问题

早期的动物标本主要用于动物分类学上确定物种。动物标本为物种信息的载体，是动物分类、形态解剖、区系与系统进化、生物多样性及濒危物种保护等研究的重要科学依据[22]。研究者可通过标本信息，掌握该物种基本形态特征，以此界定物种分类，研究物种分布及其历史、现状、系统演化的证据，同时也在专业教学、科普宣传、弘扬绿色文明中发挥着重要的作用[22]。

然而，传统动物标本制作过程繁杂、难以保存、运输和展览过程中易损。例如：一套完整的动物骨骼标本，需要经过剥离、剔肉、脱脂、漂白，并按照自然状态和位置进行串联安装等多个步骤，一件中等体型动物骨骼标本的制作周期往往长达数月[23]。骨骼标本在保存过程中在环境温度、湿度、动物自身材质和生前体质等因素作用下，随着时间的推移会出现不同程度的损坏。另外，由于标本制作师操作手法不同，骨骼标本的脱脂程度会存在较大差异，动物骨骼标本在保存过程中出现不同程度的反油现象，从而导致标本容易附着脏物，滋生霉菌，因不易进行二次清理，在水气、尘土的作用下加速了标本的腐坏。此外，骨骼标本较为脆弱，特别是一些珍稀鸟类标本，如朱鹮等，不仅因动物数量稀少，可制作标本的极少，且在运输途中一旦发生损坏，还不易修复。耗费大量时间、人力、财力制作好的骨骼标本，常因维护不当，导致毁坏或部件遗失，造成珍贵标本不可挽回的损失。因此，传统动物骨骼标本难以满足人们对信息资源获取的更高需求。

鉴于此，笔者设想将3D打印技术应用于野生动物骨骼标本制作。若要实现3D打印技术在该领域的应用，除技术问题本身，还须考虑打印材料的性质，目前可用材料包括金属、聚合物和陶瓷等[7]。打印材料的选择与研发仍是3D打印技术的重要课题。使用聚合物打印材料，基本可以满足动物骨骼标本在该领域的应用，兼之较低的成本、高效的原料利用率和简便的制作流程[7]等优点，该新型打印技术可以作为成熟的技术工具，进行野生动物标本制作的研发和试验，以其可再生性和聚合物打印材料易于保存等特点，应用于野生动物骨骼标本的制作与保护。

3 3 D打印技术在野生动物骨骼标本中的应用

目前，国内关于3D打印技术应用于野生动物的报道虽少，但亦有成功案例，如2016年广州动物园利用3D打印技术为1只失去上喙的丹顶鹤制造并安装义喙，丹顶鹤可正常采食，国外亦有多例3D打印技术帮助残疾动物获得新生的报道[24]。此外，国外学者已有将3D打印技术与野生动物骨骼标本制作相结合的先例，如2015年8月，美国Dem Bones团队3D打印出了一整套犬科骨骼的模型，并在关节处加装磁铁，既灵活自如，又便于拆卸和重新组装。可见，该技术可以在野生动物骨骼标本的制作、科学研究、保护、宣传教育等领域进行推广。通过三维扫描技术，可将骨骼标本参数数字化，随用随打标本模型，成本低廉，且打印材料稳定，模型受自然环境影响较小；获得的骨骼数据可以根据后续要求进行调整，如单独放大或者缩小打印某一处骨骼，进行重点研究、教学、展览宣传使用。

4 3 D打印在野生动物骨骼标本制作存在的不足

采用3D打印技术制作动物骨骼标本，需完成骨骼样品数据采集、数据修正、骨骼建模及3D打印4个过程。在野生动物骨骼标本制作暴露的不足，主要源于骨骼数据的缺如。珍稀物种的骨骼标本，只在少数动物园、研究所保存，目前3D打印行业的高精团队因种种原因未获得这些数据，不能进行有效的开发研究。以朱鹮为例，因物种稀缺，在我国仅个别动物园或保护基地饲养，许多学者仅能通过图片、影像、文字资料对其大体了解，无法全面掌握物种的全部数据，样本保存单位又缺乏系统研究的技术人员。因此，野生动物目前缺乏系统全面的骨骼三维扫描和3D打印研究。

5 小结与展望

随着“大数据”和“数据库”概念的引入，骨科疾病及考古学已建立骨骼相关的数据库[25]，建立珍稀野生动物骨骼数据库亦是未来研究趋势。将3D打印技术与野生动物标本制作相结合，应用于骨骼标本的制作与保护，并将技术推广应用于各类濒危野生动物，在辅助临床医疗工作，提高珍稀动物尸体的利用率的同时，逐步建立濒危野生动物标本数据库及3D打印技术平台，实现标本模型向同行业、高校、博物馆等机构的输出，以完善的数据、较低的成本、较高的效率和有效的保护，满足野生动物的疾病诊疗、研究、教学、宣传和科普，对野生动物保护有一定的实际意义。