3D tištěné modely buněk, které nám padly do oka

V desátém čísle časopisu e-Mole.cz jste se v článku „Několik 3D tištěných pomůcek, které musíte mít…“ mohli dočíst také o 3D tištěných modelech dvou buněk – rostlinné a živočišné, které jsou volně dostupné na portále Thingiverse.com. Jednalo se o modely zjednodušené, vhodné i pro výuku na základní škole. Na portálu Thingiverse.com je ale modelů buněk k dispozici celá řada – jsou různě veliké, různě složité a různě prostorově ztvárněné. Neodolali jsme a vybrali jsme si dalších pět modelů, tentokrát poněkud složitějších, a vyzkoušeli jsme, jak je náročné je vytisknout. Jednalo se o jeden model bakterie (Prokaryotic Cell), tři různé modely živočišné buňky (Animal Cell, Multi-Color Cell Model, Multi-Color Mini Animal Cell) a jeden model rostlinné buňky (Multi-Color Mini Plant Cell).

Všechny modely byly k tisku připraveny v programu KISSlicer (verze 1.6) a byly vytisknuté z PLA s tloušťkou vrstvy 0,2 mm. K tisku jsme použili tiskárny Molestock a Kossel Mini. A když už jsme měli modely vytisknuté, přímo se nabízelo jejich srovnání…

1. Model bakterie (Prokaryotic Cell)

Model bakterie (prokaryotické buňky), jehož autorkou je Amanda Zirzow, je k dispozici ve třech variantách: model „s dírkami“ (prokary3-HOLES.stl), model „s fimbriemi“ (PROKARY_CELL_STL.stl) a model pro vícebarevný tisk (PROKARY_CELL_AMF.amf).

My jsme tiskli pouze model „s dírkami“. Originální model je poměrně malý, vytištěná bakterie je dlouhá jen 4 cm. Vytištění tohoto modelu trvalo 26 minut. Dvakrát zvětšený model se tiskl 2,25 h. Tento model není vytvořený zcela korektně, a proto jeho tisk nebyl úplně bezproblémový. Při použití KISSliceru (verze 1.6) vznikly na několika místech chyby, které měly za následek nepřesnosti při tisku. Vytištěné modely proto působí poněkud „nedokonalým“ dojmem. U modelu je uvedeno, že při tisku je dobré použít raft a že nejsou třeba podpory. Podle našich zkušeností je při tisku modelu v originální velikosti nezbytné použít raft, nebo alespoň brim, případně podpory v dolní části modelu. Při tisku modelu 2× zvětšeného je nutné použití podpor v dolní části modelu.

Po vytištění modelu jednou barvou doporučuje autorka model obarvit a do předtištěných dírek vlepit kousky čističů na dýmky (tzv. „chlupatých drátků“) coby fimbrie a bičík. My jsme použili 3D pero a modely vytištěné z bílého PLA jsme doplnili fimbriemi a bičíkem z čirého PLA a nukleoid i plazmidy jsme zvýraznili barevným PLA. Použití 3D pera je o něco rychlejší než dolepování, ale vyžaduje určitou míru zručnosti. Pro dotvoření většího modelu jsme použili kousky drátků, které jsme přilepili vteřinovým lepidlem. Pokud bychom vytiskli modelů více a nechali žáky, aby si je sami dotvořili, bylo by lepší model vzhledem k původní velikosti alespoň 1,5× zvětšit, aby byly vnitřní struktury (nukleoid, plazmid, ribozomy, cytoplazmatická membrána, …) lépe identifikovatelné a bylo snadnější je barevně zvýraznit.

Z fotografie srovnávající model se schématem v uvedené zdrojové literatuře je patrné, že se autorka snažila velmi věrně znázornit všechny struktury vyobrazené na schématu (nukleoid obsahující DNA, plazmid, cytoplazmu, ribozomy 70S, inkluze (ty jsou do modelu pouze domalované), cytoplazmatickou membránu, buněčnou stěnu, slizové pouzdro (kapsulu), bičík, fimbrie a pilus). Navíc model ještě doplnila dvěma pracovními listy pro žáky – na prvním je model bakterie s popisky, druhý obsahuje obdobné popisky v tabulce, kterou je možné rozstříhat na procvičovací kartičky („pamatováčky“). A aby každý věděl, jak pracovní listy při skupinové práci žáků ve dvojicích správně použít, připojila i popis zamýšlených aktivit. Pokud byste tyto pracovní listy měli raději v češtině než v angličtině, můžete si stáhnout českou lokalizaci, kterou jsme pro vás připravili v souboru PDF.

2. Model živočišné buňky (Animal Cell)

Jako první model živočišné buňky jsme si vybrali prostorový model od italské společnosti PaLEoS. Jeho vytištění je jednoduché, je potřebné stáhnout a připravit k tisku jeden STL soubor. Tisk modelu proběhl bez problémů, trval 3,5 hodiny, nebylo při něm třeba použít ani podpory, ani brim či raft. Po vytištění je šířka a hloubka modelu buňky přibližně 86 mm, destička pod buňkou je o něco větší.

V modelu je znázorněno jádro s jadernými póry na povrchu a jadérkem uvnitř, cytoplazmatická membrána, cytoplazma, endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát se dvěma oddělenými transportními váčky, dva další váčky (patrně představující lyzozomy) a tři mitochondrie, u nichž je naznačena i vnitřní membránová struktura. Model je jasný a přehledný, bez problémů ho lze použít i pro výuku na základní škole. Pro potřeby výuky na střední škole je však až moc jednoduchý.

Pokud je model vytištěný z nějakého světle zbarveného materiálu, například z bílého PLA jako v našem případě, přímo se nabízí obarvení různých organel různými barvami (třeba lakovými popisovači EDDING), stejně jako u modelů buněk zmiňovaných v článku v e-Molu č. 10. Při té příležitosti je možné dokreslit ribozomy.

Přestože model působí velmi sympatickým dojmem, mám k němu určité výhrady, které se týkají znázornění buněčných membrán a membránových organel. Předně mi přijde zavádějící, že cytoplazmatická membrána je znázorněna jako několikanásobně silnější než ostatní buněčné membrány. Dále se mi nelíbí, že vnitřní mitochondriální membrána je znázorněna pouze vlnovkou, a nikoli jako uzavřená struktura. Také znázornění jaderného obalu je na můj vkus až příliš zjednodušené. A pokud přihlédnu k úspornosti tisku, odstranila bych z modelu podkladovou destičku, která dobu tisku zbytečně prodlužuje.

3. Vícebarevný model živočišné buňky
(Multi-Color Cell Model)

Další model, který nás zaujal, je vícebarevný model živočišné buňky od MosaicManufacturing. Na webu vypadá moc pěkně především proto, že je vytištěný čtyřmi barvami. Společnost MosaicManufacturing se totiž zabývá výrobou zařízení, která umožňují až čtyřbarevný tisk na běžné FDM/FFF 3D tiskárně, a tento model je jedním z jejích demonstračních modelů. Protože je model primárně určený k tisku několika barvami najednou, jsou všechny jeho části, tj. jednotlivé organely, k dispozici jako samostatné STL soubory. Kromě toho jsou k dispozici také čtyři STL soubory, ve kterých je vždy několik buněčných organel seskupeno, aby mohly být vytištěné jednou barvou. Celý model je ale také možné bez problémů vytisknout najednou jen jednou barvou. Jednobarevný tisk modelu trval na naší 3D tiskárně 6 hodin, nebylo při něm třeba použít ani podpory, ani brim či raft.

Model je celkově o něco větší než předchozí model živočišné buňky, jeho výsledná šířka je přibližně 11 cm, hloubka 9,5 cm a výška 6,5 cm. Kromě stejných organel, které jsou u předchozího modelu (tj. jádro s jadernými póry na povrchu a jadérkem uvnitř, cytoplazmatická membrána, cytoplazma, endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát s oddělujícími se transportními váčky, lyzozomy a mitochondrie), jsou v tomto modelu navíc ribozomy a centrozom (skládající se ze dvou centriol). Centrioly i membránové struktury na šikmé části modelu nedopadly při tisku úplně skvěle, protože jsou namodelovány jako poměrně tenké. Naopak cytoplazmatická membrána je i v tomto modelu znázorněna jako několikanásobně silnější než ostatní buněčné membrány. Také mitochondrie a jaderný obal jsou zjednodušeny stejným způsobem jako u předchozího modelu.

Samozřejmě že i tento model je možné dodatečně obarvit. Pro výuku na střední škole je vhodnější než model živočišné buňky od společnosti PaLEoS, ale vzhledem k jeho velikosti by vytištění většího počtu kusů trvalo výrazně déle.

4. Malý vícebarevný model živočišné buňky (Multi-Color Mini Animal Cell)

Třetí model živočišné buňky, který jsme tentokrát zkoušeli vytisknout, je rovněž od MosaicManufacturing a stejně jako vícebarevný model živočišné buňky je primárně určen k tisku čtyřmi barvami najednou. Je však menší a plošší, prý proto, aby se pohodlně vešel do kapsy. Model je navržen tak, aby jednotlivé skupiny organel bylo možné vytisknout samostatně různými barvami a následně všechny části modelu slepit dohromady. Je samozřejmé, že model lze vytisknout také celý najednou jednou barvou. Jednobarevný tisk modelu u nás trval 2 hodiny, nebylo při něm třeba použít ani podpory, ani brim či raft.

Šířka vytištěného modelu je 7,5 cm, hloubka 7cm a výška 2,5 cm. Model obsahuje všechny organely jako jeho větší „bratr“, svoje uplatnění tak najde především při výuce na gymnáziu či středí škole. Organely jsou namodelované v podobném duchu jako u předchozího modelu, ale model je v detailech přece trochu jiný, snadněji se tiskne a po vytištění vypadá lépe. Také tento model je možné dodatečně obarvit, jak je vidět na fotografii.

5. Malý vícebarevný model rostlinné buňky (Multi-Color Mini Plant)

Model rostlinné buňky, který jsme si vybrali k otestování, je také od MosaicManufacturing a s malým vícebarevným modelem živočišné buňky tvoří doplňující se dvojici. I tento model je primárně určen k tisku čtyřmi barvami najednou, jednotlivé skupiny organel je možné vytisknout odděleně různými barvami a následně všechny části modelu slepit dohromady, nebo lze model vytisknout celý jednou barvou. Jednobarevný tisk modelu trval také 2 hodiny, nebylo při něm třeba použít ani podpory, ani brim či raft.

Šířka vytištěného modelu je 10 cm, hloubka 9cm a výška 2,5 cm. V modelu je možné rozlišit jádro s jadernými póry na povrchu a jadérkem uvnitř, cytoplazmatickou membránu, cytoplazmu, endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát s oddělujícími se transportními váčky a mitochondrie, ale také vakuolu, chloroplast a buněčnou stěnu. Trochu překvapivě v něm chybí ribozomy. Také tento model se dobře tiskne a po vytištění hezky vypadá, nezávisle na tom, je-li nějak dodatečně obarvený, či nikoli.

6. Aktivity s 3D tištěnými modely buněk do výuky

3D tištěné učební pomůcky působí v hodině jako výrazný aktivizační prvek. Z velikosti modelů buněk představených výše jasně vyplývá, že jsou nejvhodnější pro skupinovou výuku, zejména pro práci ve dvojicích či v malých skupinkách, nebo pro samostatnou práci žáků. Záleží jen na vás a vašich možnostech, jestli vytisknete různé modely a žákům je vždy náhodně rozdáte, nebo zvolíte jen jeden konkrétní model každého typu buňky, tedy rostlinné, živočišné a bakteriální, a ten pak natisknete vícekrát. A pokud nejste při tisku nijak limitováni, můžete jeden model živočišné, rostlinné i bakteriální buňky vytisknout každému žáku. Zajímavou aktivitou s modely buněk může být také jejich vybarvování, které budou realizovat sami žáci.

K modelu živočišné a rostlinné buňky si žáci mohou snadno dodělat procvičovací kartičky, tedy papírové lístečky, na kterých jsou napsány různé části buněk, a s jejich pomocí si mohou buněčnou stavbu opakovat. Na zadní stranu lístečků je možné, podobně jako u bakteriální buňky, napsat např. funkci dané organely či části buňky a lístečky využít při procvičování samostatně, ve dvojicích nebo ve skupinách.

Aby si žáci buněčnou stavbu co nejlépe zafixovali a naučili se orientovat v různých způsobech znázornění buněk, je dobré, mají-li k dispozici nejen 3D tištěné modely, ale také schémata a mikrofotografie reálných buněk. K procvičování tohoto tématu můžete s žáky použít také naše pracovní listy.

Po „teoretických“ hodinách by měla následovat laboratorní cvičení, při kterých by si žáci buňky a některé buněčné organely prohlédli na reálných mikroskopických preparátech. Rozdíl mezi skutečnými buňkami a jejich modely či schematickými kresbami si totiž člověk uvědomí až při pohledu do mikroskopu.

K ověření znalostí žáků můžete využít další výukový materiál (testy), který jsme pro vás připravili.

Bližší informace o tom, jak můžete pracovní listy a testy časopisu e-Mole získat, se dozvíte v sekci Předplatné výukových zdrojů.

Autor: Marcela Feltlová, e-Mole 15. 3. 2019