盘点常见医用3D打印材料

近年来，3D打印技术在医学领域的研究与应用发展迅速，为临床医学解决部分疑难病症问题提供了创造性思路。目前，3D打印技术已经从医学模型、导板、康复辅具和植入物，延伸到组织工程支架，甚至细胞、组织器官等领域。

在现代医学领域中，3D打印技术所用的医用材料主要包括4类。一是对生物相容性要求较低的医用材料。这类材料主要应用于3D打印体外诊断与预测模型、导板、体外假肢或矫形辅具等，极大发挥了3D打印在个性化定制方面的优势，可使患者获得更好的治疗。二是满足生物相容性，但不可降解的医用材料。主要有钛合金、钴铬合金和钽合金等金属材料，以及高分子材料等惰性材料，这类材料可被用作打印体内植入物。目前，多家3D打印金属植入物厂商产品已获得上市许可证书，产品已应用于临床。三是生物相容性良好且可降解的医学材料。主要应用领域为打印组织工程支架。这类材料打印出的植入物，不仅需要与生物体相容，还要具有降解性，且在一定时间内可促进体内缺损组织的生长和愈合。四是活性细胞、蛋白质及其他生物活性分子。使用该类材料的生物3D打印技术也被称作细胞3D打印技术。细胞3D打印技术可以直接将细胞、蛋白质及其他具有生物活性的材料（如DNA、生长因子等）作为3D打印的基本单元，以3D打印的方式，直接构建组织或器官。

本文主要介绍医用金属、医用聚合物、陶瓷基生物材料以及生物墨水（水凝胶类）等材料在3D打印医学中的研究应用及发展。

医用金属材料

常见的3D打印医用金属材料有不锈钢钛合金、钴铬合金和钽合金等，一般用于制备植入物，目前主要集中在制作个性化骨植入物、支撑性支架等。这些金属材料具有良好的生物相容性，可以满足当前大部分医学应用。

最常见的金属材料3D打印方法是粉末床熔融，目前主要使用激光和电子束的高能量源选择性区域熔融金属粉末。

医用聚合物材料

3D打印医用聚合物材料主要应用于医疗模型与手术导板等的制作，少部分材料可作为生物可降解组织工程支架和生物墨水的基质，这类材料包括聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）、蛋白质、多糖以及水凝胶（具有高含水量的亲水性或双亲性聚合物三维网络）等聚合物。

医用聚合物打印材料具有非常优异的加工性能，可适用于多种打印技术，因此成为主要的医学3D打印材料之一。

陶瓷基生物材料

医用活性陶瓷能够模拟自然骨的矿物相、结构以及机械性能，是理想的仿生骨修复材料，因此得到研究机构的高度重视并获大力发展，但其在韧性等方面仍存在不足。

羟基磷灰石粉末矿物相中含有大量磷酸钙，被广泛应用于陶瓷3D打印研究中。与金属、聚合物材料相比，医用生物陶瓷材料的应用相对较少，3D打印生物陶瓷的性能与实际的应用需求有一定差距，限制了其产业化发展。

生物墨水

医用水凝胶、生物交联剂和活细胞共同组成了生物3D打印所需的“生物墨水”。目前，虽然已经有研究人员将3D打印技术与生物墨水相结合，打印出人体耳廓、肾脏、心脏等活体组织，但如何保持细胞活性，以及如何维系组织功能等问题仍有待解决。无论是天然生物墨水还是合成生物墨水，生物3D打印技术对墨水材料黏度、强度和生物相容性等要求严格。

目前，已有研究将细胞与3D打印生物支架共同培养。研究结果表明，细胞能够在多种三维支架上存活，并且比普通二维培养的效果要好。多项研究也已打印出皮肤、角膜、软骨、心脏、肺部、肝脏、肾脏、骨头和血管等组织器官。例如，2019年以色列特拉维夫大学的科学家在全球首次成功利用生物3D打印技术，制造出一颗充满细胞、血管并有心室和心房的完整心脏。虽然这一人工心脏只有兔子心脏大小，但科学家将沿着这一突破性成果继续深入研究，研发出适合临床移植的人造心脏指日可待。2019年，《科学》杂志封面刊登了一项举世瞩目的研究成果：一个由水凝胶3D打印而成的肺模型，它具有与人体血管、气管结构相同的网络结构，能够像肺部一样向周围血管输送氧气，完成“呼吸”过程。

生物3D打印的应用面临诸多限制及难点，但生物3D打印的组织器官应用价值巨大，特别是在临床研究阶段的药物开发和疗法测试等方面，可有效地降低研发成本。

经过近几十年的发展，现阶段的医用3D打印技术已经取得长足进步，在器官模型、导板、辅具和植入物等方面的应用日趋成熟。尽管3D打印组织、器官仍处于结构性阶段，但从生物医学临床需求的角度与生物医用3D打印及其材料发展的角度而言，组织功能性器官的打印将是医用3D打印未来的主要发展趋势。

进一步研究适用于不同医学应用领域的高性能材料，大力推动我国医用3D打印技术的高质量发展，需在政策引导、市场监管，以及资金支持等前提下，建立完善的医用材料打印制造标准和工艺规范，并加强专业人才的培养。

（作者：王晶，单位：国家增材制造创新中心）

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@blueai.net.cn。