凯文·基尔(Kevin Keel)宁愿不故意感染蝙蝠。他是加州大学戴维斯分校的兽医病理学家,研究一种正在导致美国蝙蝠种群数量锐减的疾病——白鼻病。为了这项研究,他需要采集健康蝙蝠的组织样本,并在实验室中进行后续研究。
但是如何采集样本呢?生物学家可以捕捉一只蝙蝠,用某种打孔器剪下一小块翅膀——但这非常棘手。基尔和他的同事芭芭拉·肖克(Barbara Shock),加州大学戴维斯分校的野生动物疾病生态学家,需要一个更简单、更专业的设备,任何生物学家都可以使用。
他们向学校的3D打印实验室寻求帮助,实验室经理建议他们去问学生。这个问题变成了一场在1月中旬举行的学生工程竞赛。在一场紧张的30小时的“制造马拉松”(Make-a-thon)中,学生团队提出了设计方案,用计算机辅助设计软件绘制草图,并用3D打印机制作出来。
“要了解这种疾病,我们确实需要进行实验性感染,”基尔说。“但我们已经损失了太多蝙蝠,而且在人造冬眠环境中与蝙蝠打交道非常困难,所以我们在寻找另一种更强大的方法。”
白鼻病是由一种真菌引起的,名为Pseudogymnoascus destructans,它寄生在洞穴冬眠蝙蝠的身体和翅膀上。科学家们尚不完全清楚它如何杀死蝙蝠,但有一种理论认为,蝙蝠在冬眠期间会频繁醒来梳理自己,耗尽脂肪储备并最终饿死。基尔通过将称为组织外植体的蝙蝠皮肤样本接种真菌来研究白鼻病的传播方式。
这意味着需要在野外剪下一块翅膀组织,并同时将其拉伸到某种粘合膜上。这是一项艰巨的工作——想象一下,你手里拿着一只微小、扭动、会咬人的蝙蝠,还要试图剪下它的一部分翅膀而不损坏它。
“蝙蝠的翅膀非常薄且极具弹性,就像湿厕纸一样,而且你永远无法让它恢复到原来的形状,”基尔说。“你可以想象,当你把蝙蝠放在切割板上,拉伸蝙蝠的翅膀,而如果你是为了诊断目的取样,还要试图用紫外线看到真菌在哪里,这有多令人沮丧。我们想要一个能让操作极其简单、可以用一只手完成的东西,这样一个人就能用一只手固定住蝙蝠,另一只手剪下活检样本。”
1月16日,基尔和肖克将他们的难题抛给了加州大学戴维斯分校生物医学工程学会的60名学生成员,学生们通宵达旦地绘制设计图并为每个部件制作CAD文件。
“他们提出了一些我们从未想过的设计,”肖克说。
其中一个成功的原型,如上图所示,在标记为“b”的部件的一侧有一个特殊的医用级粘合剂。当使用该装置在蝙蝠翅膀上打一个小孔时,翅膀膜被拉伸到粘合剂上,固定到位。其设计允许蝙蝠组织的一侧浸泡在细胞培养基中,保持组织活性,而另一侧则暴露在空气中——以及白鼻真菌中。
到1月18日(星期日)晚上,制造马拉松产生了四个可以在野外实际使用的项目。基尔和肖克目前正与学校的“团队设计、原型制作和制造设施”(TEAM Design, Prototyping, and Fabrication Facilities)合作,对这些项目进行完善,然后大量生产。
蝙蝠生活在黑暗、难以进入的洞穴或高高的树上;它们会飞;它们以我们听不到的超声波发出叫声进行交流,因此它们可能是野外最难研究的动物之一。生物学家们经常求助于独特的工具来追踪它们。但肖克和基尔说,这次比赛让研究变得独特。此外,工程师们也学到了他们本不知道的东西,肖克说。
“所有这60名参与者都必须了解白鼻病以及蝙蝠的重要性,”她说。