3D列印也存在健康隱患？
3D列印這種新型的製造技術正在受到越來越多的重視。傳統的製造技術一般通過切削、鑽孔等機械加工手段將一整塊材料加工成需要的尺寸和形狀；而3D列印則是將材料一點一點地堆積成指定的形狀，因此不僅可以讓使用者不需要複雜的設備就可以加工出需要的物體，還可以輕鬆實現許多傳統製造技術難以勝任的複雜形狀。
然而就在3D列印風靡全球的時候，一些研究人員卻發出警示， 3D列印可能存在一些健康隱患，需要進一步的研究。那麼3D列印可能存在哪些健康隱患呢？我們不妨來看最近幾項相關的研究。
3D列印的關鍵是要讓加工用的材料在特定的條件下實現從流體到固體的轉化，其中一種實現手段是使用感光性樹脂。這種材料本身是液體，但是在特定波長的光（通常是紫外線）的照射下很快可以發生聚合反應變成堅固的高分子材料。因此我們可以先在容器中盛滿感光性樹脂，再用光去照射指定的區域完成固化，這種3D列印技術通常被稱為立體平板印刷（stereolithography），它是最早出現的3D列印技術，至今仍然被廣泛使用。
來自美國的研究人員選擇了發育、毒理學等研究中常用的動物模型斑馬魚為研究對象來觀察立體平板印刷這種3D列印技術可能帶來的健康隱患。他們將用立體平板印刷加工出的物體與斑馬魚的胚胎一同置於水中，觀察胚胎的發育情況。結果表明，在為期7天的觀察中，對照組中的斑馬魚胚胎有80%左右可以存活並孵化，然而實驗組中的胚胎在第三天已經死了一半，到了第七天更是無一倖免。不僅如此，與對照組相比，實驗組中的胚胎在發育過程中出現畸形的比例明顯增加[1]。隨後來自英國的研究人員也報道了類似的實驗結果[2].
那麼問題出在哪裡呢？理論上，受到光照的感光性樹脂應該完全固化成高分子材料，而這些物質由於分子量很大，對生物體基本上沒有活性。但實際上在立體平板印刷過程中，這個反應往往很難進行完全，殘存的未反應或者反應不完全的感光性樹脂就可能從最終的產品中泄露遊離出來，而很多這樣泄露遊離出來的物質都具有一定的毒性。實驗用的水本來是經過嚴格純化的，但研究人員卻在實驗組的水中發現一些有毒物質的存在，表明確實有有毒物質從3D列印加工出的物體中釋放出來。
研究人員隨後又做了另一個實驗：將用立體平板印刷技術加工出的物體先用紫外燈照射30分鐘，讓感光性樹脂的固化更加徹底，再把它與斑馬魚的胚胎放在一起。觀察表明，雖然經過這種處理的物體仍然對斑馬魚胚胎的存活和發育造成一定的負面影響，但與未經處理的物體相比，負面影響的程度大大減弱，這也進一步證實對於立體平板印刷這種3D列印技術，沒有充分固化的感光性樹脂確實有可能對健康造成影響，值得進一步關注。
在這項研究中，研究人員同時比較了採用另一種常見的3D列印技術——熔融沉積成型（fused deposition modeling，簡稱FDM）加工的物體。這種3D列印的基本原理是是事先將塑料或者其他材料製成細絲，在3D列印過程中，通過加熱使細絲熔化，熔化的細絲被沉積到樣品台的指定位置，隨後冷卻並重新固化成型，與普通的塑料熱加工成型實際上基於同樣的原理。熔融沉積成型不像立體平板印刷那樣依靠化學反應完成從液體向固體的轉變，自然也不大會存在由於未充分反應的化學物質而導致的毒性。而實驗也證明用熔融沉積成型加工出的物體對斑馬魚胚胎的正常發育的損害確實明顯低於用立體平板印刷加工出的物體。
然而這並不意味著我們對於熔融沉積成型這種3D列印技術就可以掉以輕心。人們早就注意到，在熱加工成型過程中，塑料有可能會因為高溫而發生降解，產生各種小分子化合物，而添加到塑料中的小分子添加劑也有可能在這一過程中逃逸至環境中，而熔融沉積成型既然基於相同的原理，也很可能由於塑料的降解帶來健康隱患。
實際上，早在2013年就有研究指出熔融沉積成型過程中會產生許多超細顆粒，即直徑在100納米以下的顆粒，而吸入超細顆粒已被證明對健康存在一定程度的損害[3]。而今年的一項研究表明，這種3D列印技術在加工過程中不僅會產生超細顆粒，還會產生許多揮發性有機物，具體的組成取決於3D印表機選用的設備[4]。例如ABS樹脂是經常用於熔融沉積成型的一種塑料，此次研究表明，用ABS樹脂進行3D列印的過程會釋放出苯乙烯。國際癌症研究機構將苯乙烯列為2B類致癌物，即對人體可能有致癌作用。研究人員估算，3D列印過程中產生的苯乙烯的濃度已經超過美國規定的商業建築苯乙烯濃度標準20倍。另一種常用於熔融沉積成型的塑料尼龍在3D列印過程中會釋放出己內醯胺。雖然現有研究認為己內醯胺沒有致癌作用，但也具有一定的刺激性。根據研究人員的估算，3D列印造成的室內空氣中己內醯胺的濃度也已經大大超標，顯然不是什麼好現象。研究人員還注意到，把3D印表機封裝起來雖然能減輕超細顆粒的排放量，但作用有限，可能是因為在研究中檢測的幾種有封裝的3D印表機並沒有能夠將設備完全封閉起來。
這幾項研究雖然還比較初步，但已經非常清楚的告訴我們，同傳統的製造技術一樣，3D列印的過程本身以及加工出的產品同樣存在產生有毒有害物質並對人體健康造成損害的可能。由於3D列印的方便快捷，它經常應用於小企業、學校甚至家庭，而這就意味著3D列印可能的健康隱患更需要值得注意，因為這些環境中的使用者往往缺乏必要的防範措施和意識。另一個重要的原因是3D列印越來越多地被用於醫學領域，例如用來生產醫療器械，因此加工出的物體必須具有良好的生物相容性，不能對人體產生刺激甚至毒性。
當然，這些研究並不是讓我們因此就對3D列印產生恐懼並徹底遠離之，但我們確實需要對這一問題給予更多的關注。一方面，政府相關部門應該與3D列印設備和原材料的生產商密切合作，制訂出相應的標準，並設法降低3D列印過程以及加工出的產品釋放出的有害物質的量；另一方面，3D列印的使用者在使用過程中也應注意個人防護。只有這樣，我們才能讓3D列印這一新技術更好地為我們服務。
參考文獻：
[1] Shirin Mesbah Oskui, Graciel Diamante, Chunyang Liao, Wei Shi, Jay Gan, Daniel Schlenk, and William H. Grover, 「Assessing and Reducing the Toxicity of 3D-Printed Parts」, Environmental Science & Technology Letters, 2016, 3, 1
[2] N. P. Macdonald, F. Zhu, C. J. Hall, J. Reboud, P. S. Crosier, E. E. Patton, D. Wlodkowicb and J. M. Cooper, 「Assessment of biocompatibility of 3D printed hotopolymers using zebrafish embryo toxicity assays」, Lab on a Chip, 2016, 16, 291
[3] Brent Stephens, Parham Azimi, Zeineb El Orch, Tiffanie Ramos, 「Ultrafine particle emissions from desktop 3D printers」, Atmospheric Environment, 2013, 79, 334
[4] Parham Azimi, Dan Zhao,Claire Pouzet, Neil E. Crain, and Brent Stephens, 「Emissions of Ultrafine Particles and Volatile Organic Compounds from Commercially Available Desktop Three-Dimensional Printers with Multiple Filaments」, Environmental Science & Technology, 2016, 50, 1260
（作者：魏昕宇）
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