生物醫用材料的3D列印技術與發展

3D列印技術作為一項集光、機、電、計算機、數控及新材料於一體的先進位造技術，其已廣泛應用於航空航天、軍工與武器、汽車與賽車、電子、生物醫學、牙科、首飾、遊戲、消費品和日用品、食品、建築、教育等眾多領域，目前成為一種迅猛發展的潮流。理論上來說，所有的材料都可以用來列印。對於高端領域，列印材料的局限性嚴重阻礙了列印技術的發展。列印材料的瓶頸已經成為研究3D列印的重點問題之一。

深圳光華偉業董事長楊義滸認為，目前3D列印材料的問題主要體現在以下幾點：可適用的材料成熟度趕不上列印市場發展的需求；材料列印流暢度不夠；特種材料強度達不到要求；材料的安全性和環境友好性問題；材料的標準化及系列化管理問題等。解決列印材料的一系列問題顯得尤為重要，直接關係到3D列印技術能否帶領我們進入快速製造的新時代。其中研究在生物醫學上應用的材料最引人注目，因為這方面的材料最難做、費用最高。生物醫用材料的3D列印尤為困難，需要考慮材料的強度、安全性、生物相容性、組織工程材料的可降解性等，目前可用於3D列印的生物醫用材料主要有金屬、陶瓷、聚合物、生物墨水等，其特點是分布範圍較廣，但是種類極少。

1.3D列印技術在生物醫學工程中的應用

目前3D列印技術被廣泛應用到生物醫學領域，不僅包括骨骼、牙齒、人造肝臟、人造血管、藥品製造等的實體製造，而且在國際上也開始將此技術用於器官模型的製造與手術分析策劃，個性化組織工程支架材料和假體植入物的製造，以及細胞或組織列印等方面的應用中。據報道，2013年12月劍橋大學再生醫療研究所開創性地通過3D列印技術，用大鼠視網膜的神經節細胞和神經膠質細胞製備得到具有三維結構的人工視網膜。該人工視網膜細胞列印出來後存活率高，並且仍具有分裂生長能力，這一突破性的進展為人類治癒失明帶來了希望。目前已經可以利用3D列印技術和仿生材料製備一些無細胞的修復材料，並且已經在臨床上有所應用。未來，可以利用3D列印技術列印出具有生物活性的人體器官，實現人造器官的臨床應用。此外，3D列印技術可以用於個性化治療，降低治療成本，將來開發更多的生物相容性和生物降解材料，與3D列印技術相結合可以減輕因材料的不足而對人體產生的傷害。這樣一來3D列印技術必將引領醫療領域的革命潮流。

2.3D列印生物醫用材料

2.1醫用金屬材料目前用於研究

3D列印的生物醫用材料多為塑料，而金屬材料具有比塑料更好的力學強度、導電性以及延展性，使其在硬組織修復研究領域具有天然的優越性。金屬的熔融溫度比較高，列印的難度較大，所以金屬3D列印一般採用光固化3D列印（SLA）和選擇性激光燒結（SLS）方式加工，由金屬粉末在紫外光或者高能激光的照射下產生的高溫實現金屬粉末的熔合，逐層疊加得到所需的部件。目前用於生物醫學列印的SAHOD料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不鏽鋼和鋁合金等。西安第四軍醫大學西京骨科醫院骨腫瘤科郭征教授帶領的團隊，採用金屬3D列印技術列印出與患者鎖骨和肩胛骨完全一致的鈦合金植入假體，並通過手術成功將鈦合金假體植入骨腫瘤患者體內，成為世界範圍內肩胛帶不定形骨重建的首次應用，標誌著３Ｄ列印個體化金屬骨骼修復技術的進一步成熟。

與傳統個體化植入假體製備技術相比，鎖骨、肩胛骨等不定形骨的３Ｄ列印個體化鈦合金植入假體具有更高的匹配性，功能及外形也更加得到患者和醫生的認可；多孔設計石骨及軟組織附著長入率高；彈性模量降低，減少應力遮擋併發症；產品質量穩定，精確度可達到１ｍｍ；製備周期短等優勢。目前該技術的缺點就是列印材料昂貴，需要患者承受較大的經濟負擔，難以實現平民化。中國科學院理化技術研究所利用低熔點金屬3D列印技術，如液態金屬Ｇａ６７Ｉｎ２０．５Ｓｎ１２．５合金（熔點約為11℃），結合微創手術的方式直接在生物體內目標組織處注射成型醫療電子器件進行了創新性的研究。他們先將生物相容的封裝材料（如明膠）注射到生物組織內固化形成特定結構，再用工具（如注射針頭）在固化的封裝區域內刺入並拔出以形成電極區域，最後將導電金屬墨水，絕緣型墨水乃至配套的微／納尺度器件等順次注射後形成目標電子裝置。通過控制微注射器的進針方向、注射部位、注射量、針頭移位及速度這樣的３Ｄ列印步驟，可以在目標組織處按預定形狀及功能構建出終端器件。他們利用該技術在生物體組織內製備出３Ｄ液態金屬REID天線，採用這種生物體內３Ｄ列印成型技術製作的柔性器件以其較高的順應性、適形化，以及微創性與低成本特點顯示出良好的應用前景，在植入式生物醫用電子技術領域具有重要意義。

隨著納米３Ｄ列印技術的出現和發展，納米粉末列印材料成為了研究者們熱議的話題，金屬粉末佔據了３Ｄ列印粉末市場的主要位置。先進的納米結構粉末對超細的晶體結構要求高，納米結構粉末可以顯著改善列印成品的物理化學力學性能，這些性能的提升將進一步拓寬其在生物醫學領域的應用。然而，因為加工困難、低生產效率和高成本，這些納米粉末的產業化和商業化還是非常困難的。

2.2醫用無機非金屬材料

無機非金屬生物材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃、氧化物及磷酸鈣陶瓷和醫用碳素材料。其中，生物陶瓷具有高硬度、高強度、低密度、耐高溫、耐腐蝕等優異性能，在醫學骨替代品、植入物，齒科和矯形假體領域有著廣泛的應用。但生物陶瓷韌性不高，硬而脆的特點使其加工成形困難，尤其是形狀或內部結構複雜陶瓷部件需通過模具來成形，而模具加工價格昂貴且開發周期長，難以滿足產品的需求。近年來，針對生物陶瓷製作工藝複雜、成型加工困難的問題，研究者們採用3D列印技術來製備生物陶瓷，並取得了長足的進展。

saijo等採用磷酸三鈣粉末等生物材料製備個性化假體，經處理後術中無需雕刻，可直接植入人體；將３Ｄ列印引進到美容整形領域，並取得很好的效果。利用3D列印技術製造美容整形材料既可以實現客戶的各種個性化要求，又能夠做到一次性精確成型，減去了傳統工藝繁瑣的術前雕刻的過程，大大節省了手術時間，因此得到廣泛關注。目前主要有磷酸鈣、磷酸二正硅酸鈣、雙相磷酸鈣、硅酸鈣／β－磷酸三鈣等材質的生物陶瓷。3D列印陶瓷支架具有促進細胞成骨性分化和血管新生的生物活性功能，羥基磷灰石支架可促進神經鞘幹細胞向成骨細胞分化，雙相磷酸鈣支架中隨著β－磷酸三鈣含量的增加，支架的促進細胞成骨性分化的能力增強，硅酸鈣／β－磷酸三鈣支架中的硅元素的釋放能夠促進骨樣細胞合成成骨因子，促進細胞成骨性分化。磷酸二正硅酸鈣能夠促進血管的增殖和再生。生物陶瓷具有與松質骨相近的抗壓強度和良好的骨誘導能力，但是生物陶瓷需要在高溫環境下列印成型，列印時不能對支架同步塗層促進骨形成的生物活性分子或抗感染藥物，同時其脆性高、韌性差、剪切應力弱。目前對生物陶瓷的3D列印研究僅僅局限於硬組織的列印。生物玻璃是內部分子呈無規排列狀態的硅酸鹽的聚集體，主要含有鈉、鈣、磷等幾種金屬離子，在一定配比和化學反應條件下，會生成含有羥基磷酸鈣的複合物，具有很高的仿生性，是生物骨組織的主要無機成分。

由於生物玻璃材料具有降解性和生物活性，能夠誘導骨組織的再生，因此在骨組織工程的研究領域被作為組織工程支架材料廣泛應用，在無機非金屬材料領域具有非常廣闊的應用前景。研究者曾用生物玻璃材料製備出猴子大腿骨，植入其體內，經一定時間後取出研究，發現再生的猴子骨細胞已長入生物玻璃的網狀結構內，且結合非常緊密；並且，經力學實驗測試發現這種人造骨比原骨力學性能更優。2011年，美國華盛頓州立大學的研究人員採用３Ｄ列印技術將磷酸鈣列印出一種像骨骼的結構，可在分解前作為新骨骼細胞生長所需的支架，已在動物身上成功進行了試驗，取得了令人滿意的結果。生物玻璃良好的生物相容性結合３Ｄ列印精確成型、快速製造、個性化等諸多優點，必定在組織工程支架材料以及個性化醫療領域取得新的突破。

由於上述的醫用陶瓷材料都需要在高溫條件下加工成型，所以醫用陶瓷材料的

３Ｄ列印加工通常分為兩個階段：

1.陶瓷粉末與熔點較低的粘結劑混合均勻後在激光照射下燒結出所設計的模型，但是此時的模型只是在粘結劑的作用下將陶瓷粉末粘結成型，力學性能較差，無法滿足應用要求；

2.在激光燒結後，需要將陶瓷製品放到馬弗爐中進行二次燒結。陶瓷粉末的粗細與粘結劑的用量都會影響到陶瓷製品的性能，陶瓷粉末越細越有利於二次燒結時晶粒生長，陶瓷層的質量越好；粘結劑的用量越大，激光燒結過程越容易，但是會造成二次燒結時零件收縮變大，使製品達不到尺寸精度要求。二次燒結過程的溫度控制也會對３Ｄ列印陶瓷製品的性能產生影響。

2.3醫用高分子材料

近年，生物醫用高分子材料可謂異軍突起，成為發展最快的生物醫學材料。生物醫用高分子材料的發展從最開始僅僅利用現成的高聚物到利用合成反應在分子水平上設計合成具有特殊功能的高聚物。目前研究又進入了一個新的階段，尋找具有主動誘導、刺激人體損傷組織再生修復的一類生物活性材料成為熱點。３Ｄ列印高分子耗材需要經過特殊處理，還需要加入粘合劑或者光固化劑，且對材料的固化速度、固化收縮率等有很高的要求。不同的列印技術對材料的要求都不相同，但是都需要材料的成型過程快速精確，材料能否快速精確的成型直接關係到列印的成敗。由於生物醫用材料直接與生物系統作用，除了各種理化性質要求外，生物醫學材料必須具有良好的生物相容性，生物醫學材料的開發比其他功能材料的開發具有更嚴格的審核程序，所以對用於生物醫學領域的３Ｄ列印高分子材料的研究才剛剛起步。

韓國浦項科技大學Ｃｈｏ等以ＰＰＦ為原料，通過利用光固化立體印刷技術（SLA）製備的多孔支架具有與人松質骨相似的力學性質，且支架能促進成纖維細胞的黏附與分化。此外，通過將ＰＰＦ支架移植到兔皮下或顱骨缺損部位的實驗結果表明，PPF支架會在動物體內引起溫和的軟組織和硬組織響應，如移植２周後會出現炎性細胞、血管生成和結締組織形成，第８周後炎性細胞密度降低並形成更規則的結締組織。與傳統組織工程支架相比，３Ｄ列印組織工程支架可以隨意設計形狀、尺寸、孔的結構和孔隙率等，研究者可以根據不同組織的修復要求來選擇需要列印出的支架結構。ＰａｕｌｉｕｓＤａｎｉｌｅｖｉｃｉｕｓ等採用激光三維列印技術成功製備了三維多孔的聚乳酸（PLA）組織工程支架，並對支架的孔隙率對細胞粘附、生長、繁殖等生理特性的影響進行了一系列的研究。

研究結果表明，在製備支架模型的過程中，三維列印技術可以隨意製造任意空洞和孔隙率的PLA組織工程支架，研究者可以輕易得到所需的模型。之後對各種模型進行一系列細胞生物學特性的表徵發現，支架的空洞以及孔隙率對細胞的黏附生長有很大的影響，分析對比各項結果後得出了最適合作為組織工程支架的模型。同時也證明了通過3D列印製備的PLA支架有望在骨組織工程中得到廣泛應用。醫用高分子列印材料具有非常優異的加工性能，可適用於多種列印模式，其中應用最多的是熔融沉積列印和紫外光固化列印兩種模式。熔融沉積列印所使用的是熱塑性的高分子材料，目前最受研究者青睞的是可降解的脂肪族聚酯類材料，如PLA、PCL。原材料只需要拉成絲狀即可列印，列印材料的製備過程簡單，一般不需要添加列印助劑。紫外光固化列印所用的是液體光敏樹脂，液態樹脂中包含有聚合物單體、預聚體、光（敏化）固化劑、稀釋劑等，液態樹脂的成分以及光固化度都會影響列印產品的性能，尤其是醫療產品的生物相容性和生物活性。

2.4複合生物材料

複合材料是指兩種以上不同物理結構或者不同化學性質的物質，以微觀或宏觀形式組合而成的材料；或者是連續相的基體與分散相的增強材料組合的多相材料，這類材料用於人工器官、修復、理療康復、診斷、檢查、治療疾病等醫療保健領域，並具有良好生物相容性，則稱為複合生物材料。ＦａｌｇｕｎｉＰａｔｉ等採用多噴頭3DP技術成功列印出ＰＣＬ／ＰＬＡ／β－ＴＣＰ複合生物材料支架，並將ｈＴＭＳＣｓ細胞種植於支架，共培養２周，使ｈＴＭＳＣｓ細胞生長過程中分泌的細胞外基質附著在支架上，然後進行脫細胞實驗去除支架上ｈＴＭＳＣｓ細胞，保留細胞外基質，從而得到ＰＣＬ／ＰＬＡ／β－ＴＣＰ／ＥＣＭ多組分具有生物活性的複合生物材料支架。該支架中的材料能夠很好地取人之長，補己之短，各組分相輔相成，既能達到骨組織工程材料的力學要求，又能夠促進生物礦化過程。ＥＣＭ中還包含了多種調節骨細胞生長分化的因子，有望成為骨組織工程支架材料研究的新方向。

同時ＦａｌｇｕｎｉＰａｔｉ等還進行了3D脂肪組織工程的研究，第一組以PCL為框架，用脫細胞的脂肪組織為墨水在ＰＣＬ框架內列印出具有一定形狀和孔洞的三維脫細胞脂肪支架並將其植入小鼠體內；第二組直接用脫細胞的脂肪組織負載目標細胞製成凝膠，通過3D列印技術將凝膠列印在事先準備好的ＰＣＬ框架內，在體外培養一段時間後植入小鼠體內。研究表明，利用這兩種方法製備的組織工程支架均具有良好的生物相容性且能在小鼠體內培養長出所需的脂肪組織，總的來說，第二組的各項測試數據均優於第一組。由此可見，3D列印技術可以將多種材料複合列印，各組分之間取長補短，相輔相成，在組織工程領域具有得天獨厚的優勢。與單一組分的或結構的生物材料相比，複合生物材料的性能具有可調性。由於單一生物材料用3D列印製成產品會存在一定的不足，將兩種或者兩種以上的生物材料有機複合在一起，複合材料的各組分既保持性能的相對獨立性，又互相取長補短，優化配置，大大改善了單一材料應用中存在的不足；但是對於理化性質差異較大的兩種材料，如何利用列印的方法將它們很好地融合在一起，發揮它們組合的最大優勢也是目前研究的熱點之一。

2.5細胞參與的生物３Ｄ列印材料

作為前期研究，科學家們已經嘗試用很多3D列印支架與細胞共培養，證明了細胞能夠在多種3D列印支架上存活，並且比普通二維培養的效果要好。3D列印的ＰＣＬ支架已經被證明能與多種細胞共培養，這為將細胞與材料混合成「生物墨水」，共同列印出生物組織奠定了良好的基礎。但是這僅僅是細胞與材料的二維作用，並沒有直接將細胞置於列印系統中，只能稱作是非直接細胞參與的生物3D列印。細胞直接參与的生物3D列印是一門多學科交叉綜合的超級學科，需要利用生物學、醫學、材料學、計算機科學、分子生物學、生物化學等多個學科的原理與技術，其中，列印材料的選擇是亟需突破的難點之一。水凝膠是由高聚物的三維交聯網路結構和介質共同組成的多元體系，作為新型的生物醫用材料引起了研究者們的廣泛關注。醫用水凝膠具有良好的生物相容性，其性質組成與細胞外基質相類似，表面粘附蛋白質和細胞的能力弱，基本不影響細胞的正常代謝過程。水凝膠的存在可以進行細胞的保護、細胞間的黏合擴展及器官的構型。

因此，水凝膠成為包裹細胞的首選。醫用水凝膠、生物交聯劑（法）、活細胞共同組成生物3D列印所需的「生物墨水」。美國康奈爾大學的研究人員採用3D生物列印技術，利用Ⅰ型膠原蛋白水凝膠與牛耳活細胞組成的「生物墨水」，成功列印出了人體耳廓。無論是功能還是外表，這個耳廓均與正常人的耳廓十分相似。在後續培養過程中，膠原蛋白水凝膠與細胞相互作用良好，且在培養過程中慢慢降解並被細胞自身合成的細胞外基質所替代。接下來，他們將利用患者自身的耳朵細胞，列印人造耳廓並進行移植。這一消息令人對醫療整形行業的未來產生無限的遐想。

醫學界目前使用的人造耳廓主要分為兩類：

一是由類軟骨的人造材料製成，其缺點是質感與人耳差異較大；

二是通過取出患者部分肋部軟骨「雕刻」新的耳廓，這種方法不僅會給患者造成不小的肉體傷害，而且其美觀及實用程度也嚴重受制於醫生的「雕刻技術」。

3D生物列印技術製成的人造耳廓，則沒有上述之虞。器官３Ｄ列印是科學家們一直追求的夢想之一，目前器官列印已經被當作概念股炒作上市，吸引了很多眼球，但3D列印還處於剛剛起步階段，還有很多問題需要解決，尤其是複雜器官的3D列印存在更為巨大的挑戰，材料與調節細胞有序地組合、器官內部血管構建、神經系統構建的生長因子的相容是器官列印最難解決的困難。通過3D列印設備將生物相容性細胞、支架材料、生長因子、信號分子等在計算機指令下層層列印，形成有生理功能的活體器官，達到修復或替代的目的，在生物醫學領域有著極其廣泛的用途和前景。近年來3D列印技術發展迅速，已在骨骼、血管、肝臟、乳房構建等方面取得了一些成績，但離複雜器官的功能實現還有很長一段距離。

總結

3D列印技術的發展已成為一種新興技術，其在醫學上的應用效果也日益明顯。首先，3D列印技術將有力克服組織損壞與器官衰竭的困難。每個人專屬的組織器官都能隨時打出，這就相當於為每個人建立了自己的組織器官儲備系統。其次，表皮修復、美容應用水平也將進一步提高。隨著列印精準度和材質適應性的提高，身體各部分組織將被更加精細地修整與融合，有助於打造出更符合審美的人體特徵。最後，當3D列印設備逐步普及後，在一些緊急情況下，還可利用3D印表機製作醫療用品，如導管、手術工具等，使之更加個性化，同時減少獲取環節和時間，臨時解決醫療用品不足的問題。

所以，3D列印技術未來發展趨勢將會在3D列印速度的提升，開發更為多樣的3D列印材料，使3D印表機的體積小型化、成本降低，不斷拓展其更多行業的應用上體現出來。就目前來看，3D列印在生物醫學方面的研究如雨後春筍般，3D列印技術在製備生物醫用材料特別是組織工程支架材料方面已經取得了諸多成就。然而，3D列印生物醫用材料還是一個非常新鮮的領域，各種研究仍處於初始階段，要想真正實現3D列印生物醫用材料在臨床上的應用還有很長的一段距離，還存在很大的挑戰。材料的研究與發展制約著3D列印技術的發展，適用於3D列印的生物醫用材料的研究與開發將成為未來研究熱點。3D列印生物醫用材料的研發之所以困難，其主要原因在於臨床上對材料的各種性能有極高的要求，材料的選擇受到多種因素的制約，既要考慮材料在列印前後的安全性、生物相容性、降解性能、生物響應性等，又要考慮材料能否達到產業化的要求。所以，3D列印生物醫用材料的研發麵臨巨大的挑戰，同樣隨著3D列印技術在程序以及機械方面的快速發展，也出現了很多的機遇。未來研究3D列印生物醫用材料的重點應該放在：開發更多可列印的生物材料。

理論上來講，所有的材料都可以列印，但實際上現在用於生物醫學領域的列印材料還屈指可數。有些具有優異性能的材料由於列印前後收縮率大，材料中所含的添加劑對生物體有害，列印後強度下降等原因，無法滿足生物材料的使用要求，而被排除在3D列印生物材料行列之外。所以，應該通過各種物理化學改性的方法來克服這些被棄用的材料存在的列印問題，開發出更多性能優異的3D列印生物材料。這樣既可以增加臨床應用上的選擇，又可以在一定程度上降低列印費用。組織工程支架材料的研究與開發。3D列印技術可以任意設計列印產品的空間結構，將3D列印的這個優勢與組織工程理念相結合，就可以針對特定組織設計最優的組織工程支架。在材料的選擇方面，性能越接近細胞外基質的材料越受青睞，因此，需要開發更多可仿生、可降解、具有生物活性的3D列印組織工程支架材料。

3D技術與組織工程的結合將為生物組織與器官的重建開闢嶄新的研究領域。「生物墨水」中3D列印生物材料的研究與開發。實現組織與器官的原位3D列印是科學家們夢寐以求的結果。目前的技術水平僅僅達到了在體外列印有外形無功能的組織與器官，列印材料是其中的難點之一。開發出具有適當力學性能，良好生物相容性，具有生物活性的生物列印材料，將它與活細胞、生物交聯劑（法）、信號分子組成「生物墨水」，力爭將目前3D列印器官存在的諸多問題一一攻破，為實現3D列印真正造福人類奠定基礎。另外，列印材料與細胞、組織以及血液之間的相容性研究也是重點之一。隨著材料學的日益發展，對生物列印材料的要求日漸嚴苛，列印材料不僅僅要安全無毒，還要起到支架的作用，更要求其具有一定的生物功能，能夠保證物質能量自由交換、細胞活性和組織的三維構建。因此，對列印材料的生物相容性的研究是必不可少的。

（來源:南極熊）

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