用于科研与教学的生物分子模型3D打印

本实验方案的目的是利用经济型桌面3D打印机创建并打印结构精确的生物分子模型。该方法从结构数据出发，设计可3D打印的生物分子模型，并使用低成本3D打印机进行制造。通过3D打印生成实体模型，有助于对分子结构与功能进行直观互动与讨论。

与模型的交互能够提供直观的感受，远超使用计算机所能达到的效果。首先，在 UCSF Chimera 中输入 PDB 编号，获取目标分子的 PDB 结构文件。接着，增加 ribbon 的直径，以便能够成功打印。

在“工具”和“显示”下的功能区样式编辑器菜单中，根据结构类型，在“缩放”选项卡下将每个项目的高度更改为至少 0.7。为了获得更稳固的模型，显示氢键。

然后将伪键样式更改为棍状，并将半径更改为 0.6。现在，将显示的结构导出为 3D 文件。选择 STL 作为文件类型，并保存模型。

在打印之前仍需进行进一步处理。由于物体重叠，需要进行修复，这在复杂模型中非常常见。为此，请打开 Autodesk NetFabb，导入从 Chimera 导出的 STL 文件。

在 NetFabb 中，打开“Extras”菜单，选择“Automatic Part Repair”，然后选择“Extended Repair”，并等待文件处理完成。对于小型模型，此过程仅需数秒；但对于大型模型，可能需要数分钟。模型处理完成后，保存结果。

右键单击模型，然后选择“导出零件”并选择“导出为STL”，或使用“项目”功能并选择“将项目导出为STL”。程序会在文件名中添加“repaired”以区别于原始文件。STL模型可使用Autodesk Meshmixer自动定向，或在简化的3D软件中手动定向。

最佳朝向将减少材料使用量，并降低打印时的失败几率。对于自动定向，请打开 Meshmixer 并导入修复后的 STL 文件，然后选择“分析”和“朝向”。

将强度权重值调整为100。将支撑体积权重值调整为零。将支撑区域权重调整为零，然后点击更新。

然后旋转模型以尽量减少悬垂部分的数量。要接受生成的方位，请打开下拉菜单并将结果导出为二进制 STL 文件。打开切片软件并选择该 STL 文件。

双击模型并输入缩放因子。默认值为一千万，表示打印模型中的1厘米相当于分子中的1纳米。接下来，将带状图和球棍模型的表示尺寸至少放大至300%，以确保其足够大，便于打印。

可根据需要调整表面大小。如有需要，调整模型的方向，然后为模型生成支撑结构。单击“支撑”图标并选择普通支撑。

指定最大悬垂角度为50度，并根据模型特征的尺寸选择合适的支柱分辨率，例如本示例中的三毫米。然后单击“生成自动支撑”。这些结构将在打印过程中固定模型的分离部分和悬垂部分。

接下来，编辑自动生成的支撑结构，以添加缺失的支撑并移除多余的支撑。首先，使用“添加支撑”工具确保所有悬空特征均得到良好支撑，避免任何结构悬空。其次，使用“移除支撑”工具删除支撑结构及内部空腔，例如α螺旋内部或结合口袋内的部分。

现在，添加一个打印流程，以为特定打印机和打印材料准备模型的 G 代码。按如下方式编辑打印流程设置：选择您将要使用的耗材类型。

建议使用聚乳酸（PLA）。然后，添加裙边以确保材料初始流动良好。接着，添加筏板以固定模型及其支撑结构。

带状模型使用50%的填充率，表面模型使用20%的填充率。还有许多其他参数可以调整以确保打印成功。有关详细信息，请查阅网站上的程序文档。

接下来，单击“准备打印”，并选择合适的工艺。这将把模型切分为多层，并为打印机喷嘴构建运动路径。在轨迹打印输出中，通常可以发现会导致打印失败的模型问题。

始终检查生成的轨迹非常重要，如有必要，应重新调整您的模型。最后，仔细检查G代码轨迹是否存在错误。注意悬垂部分下方是否缺少支撑、过高且孤立而可能被碰倒的结构、不希望出现的空腔，或过薄而无法打印的区域。

如果打印路径显示正常，请将其保存为G代码文件；否则，请修改模型、方向或工艺参数后重试。首先，通过装入丝材并确保打印平台调平来准备打印机。

接下来，在打印机上运行G代码，可通过计算机直接传输，或使用连接到打印机的SD卡。观察打印过程，直至第一层成功完成，若出现任何错误，应立即中止操作。桌面级3D打印机容易发生故障，这对新用户而言可能令人沮丧。

我们在附录中列出了常见问题及解决方案，并建议读者利用在线资源对打印机进行故障排查。打印完成后，让模型冷却至室温，然后通过轻轻侧向拉动将其从构建板上取下。如果筏式支撑与构建板粘附较紧，请使用锋利的边缘小心地将其撬下。

接下来，使用普通钳子从模型上移除支撑结构。大多数支撑结构可用普通钳子去除，而对于难以触及或连接在精细结构上的部分，可使用剪切钳进行去除。泛素的带状模型展示了α螺旋和β折叠的结构，以及氢键的位置。

相比之下，也可以制作泛素的表面模型。以原子形式展示的α螺旋模型揭示了氨基酸残基如何通过氢键连接形成螺旋状的二级结构。组蛋白H3蛋白模型可用带状和表面形式来构建。

这些模型揭示了多个组蛋白如何相互作用形成更大的复合物。组蛋白蛋白的八聚体构成核小体的核心，展示了组蛋白亚基的四级结构。缠绕在组蛋白八聚体上的 DNA 形成核小体核心颗粒，采用柔性丝状材料打印，可将其取下、扭曲和盘绕。

最后，双核小体表面模型展示了核小体核心颗粒如何像串珠一样连接成链。多个双核小体可堆叠起来，以揭示染色质纤维的螺旋结构。与数字模型相比，生物大分子的物理模型具有优势。

它们可以被操作、指向，或在研究人员与学生之间传递。这些操作有助于改善概念的交流，或帮助指出分子的特定结构特征。由于分子模型具有复杂的三维几何结构，其打印可能具有挑战性，可能需要经过多次尝试与调整。

本方案将帮助用户解决该流程中一些最常见的问题。通过遵循本方案，您将能够创建生物大分子的数字三维模型，处理三维文件，并使用熔融沉积成型3D打印机创建实体模型。