关键词：3D打印技术；医用金属材料；非金属无机材料；高分子材料；复合材料
引言
3D打印技术作为一种新型打印技术已经被广泛应用于多种技术领域。3D打印是通过一定的方法使材料逐层堆积而最终成为三维成品其基本原理便是：逐层打印，层层堆积。通过3D打印技术能够较为精准地制造更适合不同患者的各种不同的医用材料，在生物医学方面有很大的应用空间。3D打印技术不仅能够快速成型，同时也可以精确调控物体内部的孔隙结构。本文将介绍几种常见的3D打印方法以及适用于3D打印的材料。
1 3D打印技术
1.1光固化立体印刷（SLA）
光固化立体印刷技术的过程是通过计算机控制紫外线激光按固定路线扫射使树脂固化形成薄膜，树脂固化后再次控制工作台下降一定厚度，通过激光扫射再次使光敏树脂固化堆积，按照模型逐层堆积最终得出成品。其原料多为液态树脂，需具有光敏特性[1]。SLA技术应用较早，技术较为成熟，但成本较高，且形成产品后需要对产品进行清洗。
1.2熔融沉积型（FDM）
将丝状的原料放入热熔喷头，通过加热使原料成为熔融状态，按照电脑的指定路径移动并通过喷头使原料挤出，使原料沉积冷却并沉积，最终形成三维成品[2]。熔融沉积型打印技术的原料通常是热塑性高分子材料原料较为广泛，造价不高，价格相对便宜，但精确度不高，难以制造更加精细的材料，并需要模具的支持。
1.3选择性激光烧结（SLS）
选择性激光烧结是将原料铺陈在原料台上，红外线激光按照路径扫射使原料按照路径烧结固化，通过材料的层层烧结固化最终得到成品[3]。这类打印方法使用的原料更为广泛，如高分子材料，无机非金属材料，金属粉末等都可以作为原料，是目前打印技术中较为热门的一项技术，但因为其需要高温容易使高分子材料发生降解，且制作大型零件时容易发生变形。
1.4与细胞结合的3D生物打印
这类打印技术是将活体细胞与其他原料混合打印而成，原料多为生物墨水：各类可聚合的水凝胶材料等[4]。因为这类打印技术的原料需要与活体细胞结合而后进行打印，对打印的材料有较高的要求，能够使用的材料较少。但因为其具有能在微观上控制活体细胞等原料的密度、分布等的特点，具有良好的生物兼容性和可塑性，在生物医用材料的打印方面有良好的前景[5]。
2生物医用材料
2.1医用金属材料
医用金属材料具有良好的力学强度，在代替人体骨骼和固定支架等方面有所应用，并且具有较好的可塑性，能生产更为精细化和精确的材料。这类材料在人体内能够保持一定的形状，但其力学硬度高于人体骨骼，生物兼容性较差，有时作为辅助骨骼生长或者固定的材料需要二次手术进行取出。因此，金属材料转化成纳米分子进行打印制成的产品比普通的金属医用制品具有更优异的性质。目前用于3D打印的金属材料多为钛合金，钴铬合金，不锈钢等合金。金属作为打印材料多转化为纳米材料。金属纳米材料相较于普通金属粉末材料打印出来的产品具有更好的性能，多采用光固化立体印刷和选择性激光烧结进行打印。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆新疆自治区人民医院将3D打印的钛合金骨小梁金属臼杯植入患者体内进行治疗，3D打印的骨小梁金属臼杯在临床上相较于骨水泥人工臼杯有更好的疗效，促进了手术后的恢复，降低了并发症的发病率，在临床上有较为广阔的前景[6]。医用金属材料打印的成品具有较好的性能，但因为需要转化为纳米材料，价格较为昂贵，不能广泛应用，有一定的局限性。
2.2医用无机非金属材料
医用无机非金属材料主要为生物玻璃、羟基磷灰石、磷酸钙等，这类材料具有良好的耐腐蚀性和耐热性，质地坚硬，强度高但较脆且容易变形。因为人体骨骼的力学强度与某些无机非金属材料相近，所以作为骨替代，牙植入等材料被应用于医学领域方面。
以羟基磷灰石为代表的3D打印材料具有良好的生物相容性，骨髓间充质干细胞能够在3D打印的羟基磷灰石支架上附着生长，有良好的生物相容性[7]。西南医科大学的王安通过实验比较3D多孔涂层钛棒与骨诱导磷酸钙生物陶瓷对骨诱作用的不同，发现植入3D多孔涂层钛棒对于骨组织生长有很大益处，生长出来的骨组织与原组织基本一致，与周围骨组织相容较好，生长良好，并对骨头的抗压能力有明显的增强[8]。3D打印的非金属材料在骨组织的替换和坏死治疗方面有着良好的应用前景，但非金属材料多在高温条件下进行打印，不能对其同步涂层以涂抹上促进骨形成的材料或者抗感染的药物。并且能应用于生物医用的非金属材料多易被破坏，仍具有一定的缺陷。
2.3医用高分子材料
医用高分子材料多为高聚物，，使其能够具有更加令人满意的性质。医用高分子材料多具有良好的生物相容性，耐腐蚀性，能够很好地在人体内发挥作用。且医用高分子材料因为其良好的易加工性，能够结合3D打印的多种打印方式，在医学方面有很大的应用前景。利用3D打印方式打印出来的产品具有与人体骨骼更加相近的性质，能够对骨组织产生诱导和刺激，使其能够更快更好地生长附着，促进患者的康复。通过3D打印还能更加精确地控制产品的规格和刺激骨组织生长的所需的最佳孔隙大小，使患者使用的材料更加适合，更利于康复。目前较为热门的是对于聚乳酸（PLA），聚己内酯（PCL）等材料的应用研究。第四军医大学的宋岳用聚乙烯等材料制成支架，并将骨髓干细胞种植到支架上并进行培养，七天后细胞在3D打印的支架上生长速度和生长量明显比不是3D打印的支架要快要多。在后续4周、8周、12周的试验观察中，3D打印而成的支架上的骨组织生长良好，生长速度快，表现出良好的骨诱导的作用。另一方面支架随着骨组织的生长也逐渐降解，进一步促进骨组织的修复[9]。这类产品的打印方式不需要高温，性质不易发生改变，打印方式更加便捷。
2.4复合材料
复合材料是由两种或两种以上不同化学、物理性质合成的材料。这类复合材料具有有多种性能，有良好的生物相容性，如3D打印的聚乳酸-羟基磷灰石复合支架材料，骨髓基质细胞能够在支架上生长，比一般的支架生物相容性更好[10]。因为复合材料是由人工制造的、由不同材料合成的材料，在材料的性质方面更加多样化。通过复合而成的材料能够保持各组分材料的优点，能够具有单一材料所不具有的多种性能。这样复合材料能够更具多样化，通过所需的不同性能研究不同材料的合成以达到产出性能更加优良的产品。目前对于复合材料的研究较为热门，复合材料在医学材料方面将会有更加广泛的应用。
3结论与展望
随着科技的发展，3D打印技术越来越多样化也越来越先进，但仍有缺陷。将3D打印和医学材料的制造结合起来，能够创造更好的医疗效果。目前复合材料的前景最为广阔，因为其的制造方式和所具有的特殊性质能够在医学材料上占有一席之地，但要发现更加适合的材料需要更多的发现与试验。
参考文献
[1] 熊昱麟. 3D打印在生物医学的应用. 中南大学课程论文, 2015
[2] 王红军. 增材制造的研究现状与发展趋势. 北京信息科技大学学报, 2014,6(3): 20-24
[3] 郭洪飞, 高文海等. 选择性激光烧结原理及实例应用. 新技术新工艺, 2007,6: 60-62
[4] 史建峰, 王涵等. 3D生物打印技术的发展与应用. 医疗装备, 2017,30:202-204
论文作者:周丹
论文发表刊物:《科学与技术》2019年18期
论文发表时间:2020/4/28
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