宋美奈

(山東省青島市城陽第一高級中學(xué) 266108)

李方正*

(山東省青島農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院 266109)

3D打印技術(shù)又稱增材制造，是一種快速成型技術(shù)。3D打印以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，以塑料、金屬、陶瓷、石膏和尼龍等材料為打印原料，通過逐層疊加的方式來構(gòu)造物體。3D打印技術(shù)是以三維數(shù)字模型為模板進(jìn)行打印，具有直觀顯示物體三維立體結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

“生物膜的流動鑲嵌模型”是人教版高中生物學(xué)教材《分子與細(xì)胞》第4章“細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出”第2節(jié)的主要內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容是在學(xué)習(xí)“細(xì)胞膜——系統(tǒng)邊界”和“物質(zhì)跨膜運輸?shù)膶嵗敝R的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步領(lǐng)悟結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生物學(xué)基本觀點，也為下一節(jié)“物質(zhì)跨膜運輸?shù)姆绞健钡膶W(xué)習(xí)做好知識鋪墊[1]。學(xué)習(xí)生物膜的流動鑲嵌模型就是為了掌握結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點，特別是要掌握細(xì)胞的分界、物質(zhì)的跨膜運輸、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、胞間連接與識別等功能與結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。但是，“生物膜的流動鑲嵌模型”畢竟是一種推測的抽象模型，特別是動態(tài)的過程學(xué)生是看不見、摸不著和全憑想象理解。應(yīng)用3D打印技術(shù)將“生物膜的流動鑲嵌模型”結(jié)構(gòu)模式圖轉(zhuǎn)換為實物模型，使抽象結(jié)構(gòu)變?yōu)橹庇^的三維結(jié)構(gòu)，能夠幫助學(xué)生更好地理解教學(xué)內(nèi)容。

1 材料與方法

1.1 模型構(gòu)建 采用3D Max軟件進(jìn)行細(xì)胞膜三維模型的構(gòu)建[2]。磷脂的球形頭部采用3D Max的基本工具中的球體工具建立，疏水性尾部采用放樣建模的方式創(chuàng)建，將兩者組合起來，構(gòu)成磷脂分子模型。然后，將磷脂模型復(fù)制排列組成細(xì)胞膜的基本框架。細(xì)胞膜中的蛋白質(zhì)采用多邊形模型方式構(gòu)建，根據(jù)結(jié)構(gòu)模式圖中的蛋白形狀，通過修改定點的方式構(gòu)建出跨膜蛋白、鑲嵌蛋白和糖蛋白的模型。

1.2 模型渲染 細(xì)胞膜的三維模型構(gòu)建完成后，采用材質(zhì)編輯器對細(xì)胞膜的不同部分賦予相應(yīng)的材質(zhì)，以區(qū)分出細(xì)胞膜不同的結(jié)構(gòu)。然后用3D Max的默認(rèn)渲染器渲染得到細(xì)胞膜的三維模型圖片。

1.3 模型的3D打印和打印后處理 將3D Max制作的細(xì)胞膜模型以obj格式文件導(dǎo)出，用3D Star軟件導(dǎo)入細(xì)胞膜模型，在軟件中調(diào)整好模型在打印控件中的X、Y、Z坐標(biāo)位置，并根據(jù)打印機(jī)的成型尺寸設(shè)置打印的比例，確定合適體積。因為懸空的結(jié)構(gòu)容易脫落，所以要根據(jù)細(xì)胞膜模型的結(jié)構(gòu)特點設(shè)置合適的打印支撐，設(shè)置完成后進(jìn)行切片化處理生成打印路徑。本研究采用熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling， FDM)3D打印機(jī)進(jìn)行模型的快速制作，打印噴頭設(shè)定為220℃，選用白色的聚乳酸(polylactic acid， PLA)進(jìn)行打印[3]。

打印出的模型去掉支撐后進(jìn)行拋光處理，然后采用丙烯顏料進(jìn)行涂色，以更好地區(qū)分細(xì)胞膜各部分結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

通過3D Max的幾何體建模、放樣建模和多邊形建模等方式建立了細(xì)胞膜的流動鑲嵌模型。在此模型上能夠清晰地顯示出磷脂的磷酸頭部和脂肪酸尾部。大量磷脂分子排列形成磷脂雙分子層，組成細(xì)胞膜的基本骨架。細(xì)胞膜上的鑲嵌蛋白、跨膜蛋白和糖蛋白都能夠顯示(圖1)。打印出的模型經(jīng)過拋光處理和丙烯顏料涂色后，能夠清晰地區(qū)分出細(xì)胞膜的磷脂、跨膜蛋白、鑲嵌蛋白和糖蛋白等不同結(jié)構(gòu)。打印后的實體模型比模式圖和三維數(shù)字模型更加直觀，能夠?qū)⒔滩纳铣橄蟮慕Y(jié)構(gòu)具體化，便于學(xué)生掌握。

圖1 細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)三維模型圖1.糖鏈；2.鑲嵌蛋白；3.磷脂頭部；4.跨膜蛋白；5.離子通道

3 討論與反思

細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容抽象，雖然在教學(xué)中采用多媒體輔助教學(xué)介紹細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)模式圖，但學(xué)生還是普遍感到細(xì)胞膜的微觀結(jié)構(gòu)較難理解。通過生物學(xué)顯微鏡也觀察不到細(xì)胞膜的微細(xì)結(jié)構(gòu)，且只是簡單的二維線性圖形，學(xué)生要在頭腦中將簡單的二維線性圖像轉(zhuǎn)換成復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)，是比較困難的。

應(yīng)用3D打印技術(shù)制作的3D細(xì)胞膜模型充分地顯示出膜選擇透過性功能是由膜的骨架脂質(zhì)雙層和蛋白質(zhì)共同決定，顯示出作為膜受體、酶類或離子通道的鑲嵌蛋白和跨膜蛋白，顯示出與膜的信息和識別功能相關(guān)的膜表面的糖蛋白，有助于學(xué)生建立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

(第一作者為高中學(xué)生；*指導(dǎo)教師、通信作者)