3D打印技术在生物膜流动镶嵌模型制作中的应用

宋美奈

(山东省青岛市城阳第一高级中学 266108)

李方正*

(山东省青岛农业大学动物医学院 266109)

3D打印技术又称增材制造，是一种快速成型技术。3D打印以数字模型为基础，以塑料、金属、陶瓷、石膏和尼龙等材料为打印原料，通过逐层叠加的方式来构造物体。3D打印技术是以三维数字模型为模板进行打印，具有直观显示物体三维立体结构的优势。

“生物膜的流动镶嵌模型”是人教版高中生物学教材《分子与细胞》第4章“细胞的物质输入和输出”第2节的主要内容。本节内容是在学习“细胞膜——系统边界”和“物质跨膜运输的实例”知识的基础上，进一步领悟结构与功能相适应的生物学基本观点，也为下一节“物质跨膜运输的方式”的学习做好知识铺垫[1]。学习生物膜的流动镶嵌模型就是为了掌握结构与功能相适应的观点，特别是要掌握细胞的分界、物质的跨膜运输、信号转导、胞间连接与识别等功能与结构的相关性。但是，“生物膜的流动镶嵌模型”毕竟是一种推测的抽象模型，特别是动态的过程学生是看不见、摸不着和全凭想象理解。应用3D打印技术将“生物膜的流动镶嵌模型”结构模式图转换为实物模型，使抽象结构变为直观的三维结构，能够帮助学生更好地理解教学内容。

1 材料与方法

1.1 模型构建 采用3D Max软件进行细胞膜三维模型的构建[2]。磷脂的球形头部采用3D Max的基本工具中的球体工具建立，疏水性尾部采用放样建模的方式创建，将两者组合起来，构成磷脂分子模型。然后，将磷脂模型复制排列组成细胞膜的基本框架。细胞膜中的蛋白质采用多边形模型方式构建，根据结构模式图中的蛋白形状，通过修改定点的方式构建出跨膜蛋白、镶嵌蛋白和糖蛋白的模型。

1.2 模型渲染 细胞膜的三维模型构建完成后，采用材质编辑器对细胞膜的不同部分赋予相应的材质，以区分出细胞膜不同的结构。然后用3D Max的默认渲染器渲染得到细胞膜的三维模型图片。

1.3 模型的3D打印和打印后处理 将3D Max制作的细胞膜模型以obj格式文件导出，用3D Star软件导入细胞膜模型，在软件中调整好模型在打印控件中的X、Y、Z坐标位置，并根据打印机的成型尺寸设置打印的比例，确定合适体积。因为悬空的结构容易脱落，所以要根据细胞膜模型的结构特点设置合适的打印支撑，设置完成后进行切片化处理生成打印路径。本研究采用熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling， FDM)3D打印机进行模型的快速制作，打印喷头设定为220℃，选用白色的聚乳酸(polylactic acid， PLA)进行打印[3]。

打印出的模型去掉支撑后进行抛光处理，然后采用丙烯颜料进行涂色，以更好地区分细胞膜各部分结构。

2 结果与分析

通过3D Max的几何体建模、放样建模和多边形建模等方式建立了细胞膜的流动镶嵌模型。在此模型上能够清晰地显示出磷脂的磷酸头部和脂肪酸尾部。大量磷脂分子排列形成磷脂双分子层，组成细胞膜的基本骨架。细胞膜上的镶嵌蛋白、跨膜蛋白和糖蛋白都能够显示(图1)。打印出的模型经过抛光处理和丙烯颜料涂色后，能够清晰地区分出细胞膜的磷脂、跨膜蛋白、镶嵌蛋白和糖蛋白等不同结构。打印后的实体模型比模式图和三维数字模型更加直观，能够将教材上抽象的结构具体化，便于学生掌握。

图1 细胞膜结构三维模型图1.糖链；2.镶嵌蛋白；3.磷脂头部；4.跨膜蛋白；5.离子通道

3 讨论与反思

细胞膜结构的教学内容抽象，虽然在教学中采用多媒体辅助教学介绍细胞膜结构模式图，但学生还是普遍感到细胞膜的微观结构较难理解。通过生物学显微镜也观察不到细胞膜的微细结构，且只是简单的二维线性图形，学生要在头脑中将简单的二维线性图像转换成复杂的三维立体结构，是比较困难的。

应用3D打印技术制作的3D细胞膜模型充分地显示出膜选择透过性功能是由膜的骨架脂质双层和蛋白质共同决定，显示出作为膜受体、酶类或离子通道的镶嵌蛋白和跨膜蛋白，显示出与膜的信息和识别功能相关的膜表面的糖蛋白，有助于学生建立结构与功能相适应的生命观念。

(第一作者为高中学生；*指导教师、通信作者)