3D 打印技術(shù)是 20 世紀(jì) 80 年代后期開始逐漸興起的一項(xiàng)新興制造技術(shù)，它是指在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)物體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)( CAD) 模型或計(jì)算機(jī)斷層掃描( CT) 等數(shù)據(jù)，通過材料的精確3D 堆積， 快速制造任意復(fù)雜形狀3D 物體的新型數(shù)字化成型技術(shù)。 3D 打印技術(shù)的基本制造過程是按照“分層制造、逐層疊加”的原理，通過計(jì)算機(jī)控制的 3D 打印系統(tǒng)進(jìn)行逐層打印，疊加后最終獲得三維產(chǎn)品。

圖1 3D打成型模型

3D 打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也在隨著技術(shù)的進(jìn)步而不斷擴(kuò)展，包括生活用品、機(jī)械設(shè)備、生物醫(yī)用材料，甚至是活體器官、在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，目前 3D 打印技術(shù)在國(guó)際上已開始被應(yīng)用于器官模型的制造與手術(shù)分析策劃、個(gè)性化組織工程支架材料和假體植入物的制造、以及細(xì)胞或組織打印等方面。利用 3D 打印技術(shù)則可以根據(jù)不同患者的CT、磁共振成像 (MRI) 等成像數(shù)據(jù)，快速制造個(gè)性化的組織工程支架材料，不僅能實(shí)現(xiàn)材料與患者病變部位的完美匹配，而且更有利于促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)與分化，獲得理想的組織修復(fù)效果。

對(duì)于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，打印材料的局限性嚴(yán)重阻礙了3D打印技術(shù)的發(fā)展。生物醫(yī)用材料的3D打印尤為困難，需要考慮材料的強(qiáng)度、安全性、生物相容性、組織工程材料的可降解性等，目前可用于3D打印的生物醫(yī)用材料主要有金屬、陶瓷、聚合物、生物墨水等，其特點(diǎn)是分布范圍較廣，但是種類極少。本綜述著重總結(jié)了近年來利用金屬、陶瓷、聚合物等材料，通過 3D 打印技術(shù)制備生物醫(yī)用材料的研究進(jìn)展。

無機(jī)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(yī)用碳素材料。

生物陶瓷具有高硬度、高強(qiáng)度、低密度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，在醫(yī)學(xué)骨替代品、植入物，齒科和矯形假體領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但生物陶瓷韌性不高，硬而脆的特點(diǎn)使其加工成形困難，采用3D打印技術(shù)制備生物陶瓷，近年來取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。

圖2 陶瓷3D打印植入物

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生物陶瓷由于其對(duì)人體內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)的抵抗力而成為醫(yī)療應(yīng)用的首選材料。而且與金屬和聚乙烯相比，陶瓷材料已經(jīng)被證明具有極好的耐磨性。生物陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性意味著它們?cè)诓迦塍w內(nèi)時(shí)不會(huì)引發(fā)任何類型的化學(xué)反應(yīng)，這是由于該材料具有強(qiáng)大的化學(xué)鍵和高純度成分。

圖3 陶瓷3D打印植入物

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當(dāng)然，生物陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性并不意味著所有的陶瓷都是不可降解的。3D打印陶瓷植入物包括氮化硅、氧化鋁、羥基磷灰石等種類，其中羥基磷灰石等陶瓷材料具有良好的生物相容性，在植入到體內(nèi)之后將逐漸被人體降解吸收，生物工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家們利用此類陶瓷材料的特點(diǎn)研發(fā)出用于修復(fù)骨骼缺損的陶瓷生物支架。

圖4 可降解陶瓷3D打印支架

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生物玻璃

生物玻璃是內(nèi)部分子呈無規(guī)排列狀態(tài)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(xué)反應(yīng)條件下，會(huì)生成含有羥基磷酸鈣的復(fù)合物，具有很高的仿生性，是生物骨組織的主要無機(jī)成分。由于生物玻璃材料具有降解性和生物活性，能夠誘導(dǎo)骨組織的再生，因此在骨組織工程的研究領(lǐng)域被作為組織工程支架材料廣泛應(yīng)用，在無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

醫(yī)用金屬材料也被稱為外科植入金屬材料，主要用于診斷、治療，以及替換人體中的組織或增進(jìn)其功能。近20年來，雖然金屬醫(yī)用材料相對(duì)于高分子材料、復(fù)合材料以及雜化和衍生材料等生物醫(yī)用材料的發(fā)展緩慢，但其具有高的強(qiáng)度、良好的韌性及抗彎曲疲勞強(qiáng)度、優(yōu)異的加工性能等許多其它幾類醫(yī)用材料不可替代的優(yōu)良性能，是臨床應(yīng)用中最廣泛的承力植入材料。尤其隨著金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展，金屬醫(yī)用材料得到了更廣泛的應(yīng)用，最重要的應(yīng)用有：骨折內(nèi)固定板、螺釘、人工關(guān)節(jié)和牙根種植體等。

臨床應(yīng)用的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈷合金、鈦合金、形狀記憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、鈮、鋯等。

1、不銹鋼

醫(yī)用不銹鋼（Stainless Steel as Biomedical Material）為鐵基耐蝕合金，是最早開發(fā)的生物醫(yī)用合金之一，其特點(diǎn)是易加工、價(jià)格低廉，耐蝕性和屈服強(qiáng)度可以通過冷加工提高，避免疲勞斷裂。不銹鋼按顯微組織可分為：奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、沉淀硬化型不銹鋼等，除常規(guī)醫(yī)療器械外，還可用于制作人工關(guān)節(jié)、骨折內(nèi)固定器、牙齒矯形、人工心臟瓣膜等器件。

圖5 醫(yī)用不銹鋼鉗

醫(yī)用不銹鋼的缺點(diǎn)是其長(zhǎng)期植入的穩(wěn)定性差，加之其密度和彈性模量與人體硬組織相距較大，導(dǎo)致力學(xué)相容性差。由于腐蝕會(huì)造成金屬離子或其它化合物進(jìn)人周圍的組織或整個(gè)機(jī)體，因而可在機(jī)體內(nèi)引起某些不良組織學(xué)反應(yīng)，如出現(xiàn)水腫、感染、組織壞死等，并且不銹鋼中鎳離子析出誘發(fā)的嚴(yán)重病變。

2、鈷合金

醫(yī)用鈷合金（Co-based Alloy as Biomedical Material）也是醫(yī)療中常用的金屬醫(yī)用材料。醫(yī)用鈷合金的耐腐蝕性比不銹鋼高40倍，主要被用以制作人工髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)扣釘、接骨板、骨釘和骨針，目前應(yīng)用最多的是鑄造鈷鉻鋁合金。

圖6 鈷基合金人工關(guān)節(jié)

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鈷合金在人體內(nèi)多保持鈍化狀態(tài)，很少見腐蝕現(xiàn)象，與不銹鋼相比，其鈍化膜更穩(wěn)定，耐蝕性更好。從耐磨性看，它也是所有醫(yī)用金屬材料中最好的，一般認(rèn)為植入人體后沒有明顯的組織學(xué)反應(yīng)。但是由于鈷合金價(jià)格較貴，并且鈷合金制作的人工髖關(guān)節(jié)由于金屬磨損腐蝕造成Co、Ni等離子溶出，存在著嚴(yán)重致敏性等生物學(xué)問題，在體內(nèi)容易引起細(xì)胞和組織壞死，從而導(dǎo)致患者疼痛以及關(guān)節(jié)的松動(dòng)、下沉，應(yīng)用受到一定的限制。近年來，通過表面改性技術(shù)來改善鈷合金的表面特性，有效提高了其臨床效果。

3、鈦合金

醫(yī)用鈦合金（Ti-based- Alloy as Biomedical Material）是目前已知的生物親和性最好的金屬之一，是最有發(fā)展前景的醫(yī)用材料之一。目前，鈦和鈦合金主要應(yīng)用于整形外科，尤其是四肢骨和顱骨整復(fù)，被用以制作各種骨折內(nèi)固定器械、人工關(guān)節(jié)、頭蓋骨和硬膜、人工心臟瓣膜、齒、牙床、托環(huán)和牙冠。其中，醫(yī)用應(yīng)用最多的鈦合金是TC4（Ti-6A1-4V）。

鈦及鈦合金的密度在4.5g/cm3左右，幾乎僅為不銹鋼和鈷合金的一半，密度接近人體硬組織，且其生物相容性、耐腐蝕性和抗疲勞性能都優(yōu)于不銹鋼和鈷合金，是目前最佳的金屬醫(yī)用材料。鈦及鈦合金缺點(diǎn)是硬度較低，耐磨性差。若磨損發(fā)生，首先導(dǎo)致氧化膜破壞，隨后磨損的顆粒腐蝕產(chǎn)物進(jìn)人體組織，尤其是Ti-6A1-4V合金中含有毒性的釩（V）可導(dǎo)致植入物的失效。為了改善鈦及鈦合金的耐磨性能，可對(duì)鈦及鈦合金制品表面進(jìn)行高溫離子氨化或離子注入技術(shù)處理，強(qiáng)化其表面耐磨性。

圖7 醫(yī)用鈦及鈦合金

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4、形狀記憶合金

醫(yī)用形狀記憶合金（Shape Memory Alloy as Biomedical Material）的研究始于20世紀(jì)70年代，并很快得到了廣泛應(yīng)用。臨床上應(yīng)用最廣泛的形狀記憶合金主要有鎳鈦形狀記憶合金。醫(yī)用鎳鈦形狀記憶合金的形狀記憶恢復(fù)溫度為36±2℃，符合人體溫度在臨床上表現(xiàn)出與鈦合金相當(dāng)?shù)纳锵嗳菪浴５捎阪団佊洃浐辖鹬泻写罅康逆囋兀绻砻嫣幚聿划?dāng)，則其中的鎳離子可能向周圍組織擴(kuò)散滲透，引起細(xì)胞和組織壞死。醫(yī)用形狀記憶合金主要用于整形外科和口腔科，鎳鈦記憶合金應(yīng)用最好的例子是自膨脹支架，特別是心血管支架。

圖8 醫(yī)用鈦及鈦合金

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5、貴金屬和純金屬鉭、鈮、鋯

醫(yī)用貴金屬是指用作生物醫(yī)用材料的金、銀、鉑及其合金的總稱。貴金屬的生物相容性較好，抗氧化、抗腐蝕性強(qiáng)，具備獨(dú)特的物理與化學(xué)穩(wěn)定性，優(yōu)異的加工特性，對(duì)人體組織無毒副作用。被用作整牙修復(fù)、顱骨修復(fù)、植入電極電子裝置、神經(jīng)修復(fù)裝置、耳渦神經(jīng)刺激裝置、橫隔膜神經(jīng)刺激裝置、視覺神經(jīng)裝置和心臟起搏器電極等。

鉭具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗生理腐蝕性，鉭的氧化物基本上不被吸收和不呈現(xiàn)毒性反應(yīng)，鉭可與其它金屬結(jié)合使用而不破壞其表面的氧化膜。在臨床上，鉭也表現(xiàn)出良好的生物相容性。鉭、鈮、鋯與鈦都具有極相似的組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能，在生物醫(yī)學(xué)上也得到一定應(yīng)用，被用作接骨板、種植牙根、義齒、心血管支架及人工心臟等。但總的來說，醫(yī)用貴金屬和鉭、鈮、鋯等金屬因其價(jià)格較貴，廣泛應(yīng)用受到限制。

圖9 貴金屬烤瓷牙

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生物醫(yī)用高分子材料

近年，生物醫(yī)用高分子材料可謂異軍突起，成為發(fā)展最快的生物醫(yī)學(xué)材料。目前生物醫(yī)用高分子材料研究又進(jìn)入了一個(gè)新的階段，尋找具有主動(dòng)誘導(dǎo)、刺激人體損傷組織再生修復(fù)的一類生物活性材料成為熱點(diǎn)。３Ｄ打印高分子耗材需要經(jīng)過特殊處理，還需要加入粘合劑或者光固化劑，且對(duì)材料的固化速度、固化收縮率等有很高的要求。不同的打印技術(shù)對(duì)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(guān)系到打印的成敗。由于生物醫(yī)用材料直接與生物系統(tǒng)作用，除了各種理化性質(zhì)要求外，生物醫(yī)學(xué)材料必須具有良好的生物相容性，生物醫(yī)學(xué)材料的開發(fā)比其他功能材料的開發(fā)具有更嚴(yán)格的審核程序，所以對(duì)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的３Ｄ打印高分子材料的研究才剛剛起步。

1. 高分子原材料的種類

目前常用的3D打印高分子材料有聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯和ABS等。在光固化立體印刷中的齊聚物的種類繁多，其中應(yīng)用較多的主要包括如聚氨酯丙烯酸樹脂、環(huán)氧丙烯酸樹脂、聚丙烯酸樹脂以及氨基丙烯酸樹脂。

2. 常見應(yīng)用工藝

目前應(yīng)用較多的3D打印高分子材料技術(shù)主要包括光固化立體印刷(SLA)、熔融沉積成型( FDM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)等。

• 光固化立體印刷

光固化3D打印（SLA）工作原理與噴墨打印類似，在數(shù)字信號(hào)的控制下，噴嘴工作腔內(nèi)的液體光敏樹脂在瞬間形成液滴，在壓力作用下噴嘴噴出到指定的位置，然后通過紫外光對(duì)光敏樹脂固化，固化后逐層堆積，得到成形零件。

光固化3D打印材料由光固化實(shí)體材料與支撐材料組成，其中支撐材料根據(jù)其固化方式不同又可分為相變蠟支撐材料和光固化支撐材料。光固化支撐材料通常俗稱光敏樹脂，主要由齊聚物、反應(yīng)性稀釋劑（活性單體）、光引發(fā)劑以及其它助劑組成。國(guó)外由于起步較早，并且3D打印機(jī)能夠?yàn)楣饷魳渲难芯刻峁?shí)驗(yàn)器材的支持，因而國(guó)外在3D打印光敏樹脂做的較為成熟。

圖10 光固化3D打印原理圖

光固化立體印刷制備生物可降解支架材料的高分子原料包括光敏分子修飾的聚富馬酸二羥丙酯(PPF)，聚(D，L-丙交酯)(PLA)、聚( -己內(nèi)酯)(PCL)、聚碳酸酯、以及蛋白質(zhì)多糖等天然高分子。 為了降低液態(tài)樹脂原料的黏度，還需要加入小分子的溶劑或稀釋劑，常用的如可參與光聚合反應(yīng)的富馬酸二乙酯(DEF)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)，以及不參與聚合反應(yīng)的乳酸乙酯，該技術(shù)獲得的3D成型材料具有可調(diào)控的孔尺寸孔隙率貫通性和孔分布。

• 熔融沉積成型

熔融沉積成型( FDM) 是采用熱熔噴頭，使得熔融狀態(tài)的材料按計(jì)算機(jī)控制的路徑擠出沉積，并凝固成型，經(jīng)過逐層沉積凝固，最后除去支撐材料，得到所需的三維產(chǎn)品(圖2 )。FDM技所使用的原料通常為熱縮性高分子，包括ABS、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等．該技特點(diǎn)是成型產(chǎn)品精度高表面質(zhì)量好成型機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無環(huán)境污染等，但是其缺點(diǎn)是操作溫度較高。

近年來，利用FDM技術(shù)制備生物醫(yī)用高分子材料也受到越來越多的重視，尤其是以脂肪族聚酯為原料制備生物可降解支架材料，取得了相當(dāng)多的進(jìn)展。材料的性質(zhì)受到壓力梯度熔體流速溫度梯度等影響，聚酯與無機(jī)粒子的復(fù)合物也能用于熔融沉積成型制備3D支架材料。

圖11 熔融沉積成型所需產(chǎn)品

• 選擇性激光燒結(jié)

選擇性激光燒結(jié)(SLS)是采用激光束按照計(jì)算機(jī)指定路徑掃描，使工作臺(tái)上的粉末原料熔融粘結(jié)固化。當(dāng)一層掃描完畢，移動(dòng)工作臺(tái)，使固化層表面鋪上新的粉末原料，經(jīng)過逐層掃描粘結(jié)，獲得三維材料。與SLA技術(shù)通過紫外光逐層引發(fā)液態(tài)樹脂原料發(fā)生聚合或交聯(lián)反應(yīng)不同，SLS技是通過激光產(chǎn)生高溫使粉末原料表面熔融相互粘結(jié)來形成三維材料。其優(yōu)點(diǎn)是加工速度快，無需使用支撐材料，但缺點(diǎn)是成型產(chǎn)品表面較糙，需后處理，加工過程中會(huì)產(chǎn)生粉塵和有毒氣體，而且持續(xù)高溫可能造成高分子材料的降解，及生物活性分子的變形或細(xì)胞的凋亡，該技術(shù)不能用于制備水凝膠支架。以生物可降解高分子為原料，利用SLS技術(shù)，也是制備外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可控3D醫(yī)用高分子材料的有效途徑。

圖12 選擇性激光燒結(jié)示意圖

生物醫(yī)用高分子材料在醫(yī)療器械領(lǐng)域中得到了非常廣泛的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在人工器官、醫(yī)用塑料和醫(yī)用高分子材料3個(gè)領(lǐng)域。

1. 人工器官

人工器官指的是能植入人體或能與生物組織或生物流體相接觸的材料；或者說是具有天然器官組織或部件功能的材料，如人工心瓣膜、人工血管、人工腎、人工關(guān)節(jié)、人工骨、人工肌腱等，通常被認(rèn)為是植入性醫(yī)療器械。人工器官主要分為機(jī)械性人工器官、半機(jī)械性半生物性人工器官、生物性人工器官3種。

2.醫(yī)用塑料

醫(yī)用塑料，主要用于輸血輸液用器具、注射器、心導(dǎo)管、中心靜脈插管、腹膜透析管、膀胱造瘺管、醫(yī)用粘合劑以及各種醫(yī)用導(dǎo)管、醫(yī)用膜、創(chuàng)傷包扎材料和各種手術(shù)、護(hù)理用品等。注塑產(chǎn)品是醫(yī)用塑料制品當(dāng)中產(chǎn)量最大的品種。常用醫(yī)用塑料包括聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚四氟乙烯（PTFE）、熱塑性聚氨酯（TPU）、聚碳酸酯（PC）、聚酯（PET）等。

未來醫(yī)用塑料的發(fā)展趨勢(shì)是開發(fā)可耐多種消毒方式的醫(yī)用塑料，改善現(xiàn)有醫(yī)用塑料的血液相容性和組織相容性，開發(fā)新型的治療、診斷、預(yù)防、保健用塑料制品等。

3.藥用高分子材料

藥用高分子材料在現(xiàn)代藥物制劑研發(fā)及生產(chǎn)中扮演了重要的角色，在改善藥品質(zhì)量和研發(fā)新型藥物傳輸系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。藥用高分子材料的應(yīng)用主要包括2個(gè)方面：用于藥品劑型的改善以及緩釋和靶向作用，此外還可以合成新的藥物。