医用3D打印技术及材料发展现状与趋势

　　张梦月1，雷瑾亮1，赵政2

　　(1.科技部高技术研究发展中心;2.武汉理工大学)

　　3D打印技术能快速精准的制造出满足不同个性化需求的组织、器官等，还能对其微观结构精准控制，因此在生物医学领域具备独特优势。本文主要介绍了医用3D打印技术及材料的国内外研究现状与趋势，并对该领域的未来应用和挑战进行了展望与分析。

　　3D打印(Three-Dimension Printing)技术是20世纪80年代后期兴起的一种新型制造技术。随着技术的进步，3D打印技术的应用领域迅猛发展，已广泛应用于航空航天、军工与武器、汽车与赛车、电子、生物医学、牙科、首饰、游戏、消费品和日用品、食品、建筑、教育等众多领域。

　　3D打印技术与生物医用材料的结合，可以实现个性化治疗，降低医疗成本，减少对人体的伤害，必将引领医疗领域的革命潮流。以生物医用材料及细胞为新型离散材料，利用3D打印技术，不仅能快速制造出满足不同个性化需求的组织、器官等，还能对其微观结构精准控制，大大缓解组织器官紧缺的问题。因此，医用3D打印技术及材料在医疗领域具有巨大的临床需求和科学意义。

　　一、医用3D打印技术及其材料

　　(一)医用3D打印技术

　　3D打印技术，又称3D快速成型技术或增材制造技术，它是指在计算机控制下，根据物体的计算机辅助设计(CAD)模型或计算机断层扫描(CT)等数据，通过材料的精确3D堆积，快速制造任意复杂形状3D物体的新型数字化成型技术。

　　目前应用较多的3D打印技术主要包括光固化立体印刷(SLA)、熔融沉积成型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)和三维喷印(3DP)等。

　　3D打印技术在生物医学领域已被广泛应用，不仅包括骨骼、牙齿、人造肝脏、人造血管、药品等实体的制造，而且在国际上也开始将此技术用于手术分析策划，个性化组织工程支架材料和假体植入物的制造，以及细胞或组织打印等方面。

　　临床试验表明，利用3D打印模型信息进行医生诊断和手术规划，有利于观察患者的病情，在手术前制定最佳的手术方案，保证手术的顺利进行，缩短手术时间，降低手术风险。

　　2. 医用3D打印材料

　　目前，可用于医用的3D打印材料主要有金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料等。

　　(1)医用金属材料。目前用于生物医用3D打印的金属材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金等。相较通常医用的高分子材料，金属材料具有比塑料更好的力学强度、导电性以及延展性，使其在硬组织修复研究领域具有天然的优越性。

　　由于金属具有熔融温度比较高、打印难度大的特点，金属3D打印一般采用光固化立体印刷(SLA)和选择性激光烧结(SLS)方式加工，由金属粉末在紫外光或者高能激光的照射下产生的高温实现金属粉末的熔合，逐层叠加得到所需的部件。

　　(2)医用无机非金属材料。无机非金属生物材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃、氧化物及磷酸钙陶瓷和医用碳素材料等。目前用于生物医用3D打印的无机非金属材料主要有生物陶瓷和生物玻璃。

　　生物陶瓷具有韧性不高、硬而脆的特点，加工成形困难，尤其是形状或内部结构复杂陶瓷的部件，通常需通过模具来成形。而模具加工价格昂贵，且开发周期长，难以满足产品的需求。采用3D打印技术，则可以解决生物陶瓷制作工艺复杂、成型加工困难的问题。

　　生物玻璃具有良好的生物相容性。3D打印技术精确成型、快速制造、个性化等诸多优点，使生物玻璃在组织工程支架材料，以及个性化医疗领域得到了新的应用。

　　(3)医用高分子材料。3D打印高分子耗材需要经过特殊处理，还需要加入粘合剂或者光固化剂，且对材料的固化速度、固化收缩率等有很高的要求。目前常用于3D打印的高分子材料包括光敏分子修饰的聚富马酸二羟丙酯(PPF)、聚(D，L-丙交酯)(PLA)、聚(ε-己内酯)(PCL)、聚碳酸酯(PC)，以及蛋白质、多糖等天然高分子。

　　(4)生物复合材料。复合材料是指两种以上不同物理结构，或者不同化学性质的物质，以微观或宏观形式组合而成的材料;或者是连续相的基体与分散相的增强材料组合的多相材料。这类材料多用于人工器官、修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾病等医疗健康领域，并具有良好生物相容性，故称为生物复合材料。

　　理论上，生物医用材料之间都可以相互复合用于3D打印，且与单一组分或结构的生物材料相比，生物复合材料的性能具有可调性。将两种或者两种以上的生物材料有机复合在一起，复合材料的各组分既可以保持性能的相对独立性，又能互相取长补短，优化配置，大大改善了单一材料应用中存在的不足。

　　此外，细胞与材料也可以相互复合用于3D打印，称为“生物墨水”。对于理化性质差异较大的两种材料，如何利用3D打印技术将它们很好地融合在一起，发挥它们组合的最大优势是目前研究的前沿热点之一。

　　二、国外研究现状与趋势

　　将3D打印技术应用于医疗领域是目前国际上的一个研究热点，并取得了一系列的突破与进展。

　　剑桥大学再生医疗研究所开创性地通过3D打印技术，用大鼠视网膜的神经节细胞和神经胶质细胞制备得到了具有三维结构的人工视网膜。该人工视网膜细胞打印出来后存活率高，并且仍具有分裂生长能力，这一突破性进展为人类治愈失明带来了希望。

　　美国康奈尔大学的研究人员采用3D打印技术，利用Ⅰ型胶原蛋白水凝胶与牛耳活细胞组成的“生物墨水”，成功打印出了人体耳廓。无论是功能还是外表，这个耳廓均与正常人的耳廓十分相似。在后续培养过程中，胶原蛋白水凝胶与细胞相互作用良好，且在培养过程中慢慢降解并被细胞自身合成的细胞外基质所替代。

　　此外，将3D打印技术应用于组织工程领域也是目前的研究趋势。韩国浦项科技大学Cho等以聚富马酸二羟丙酯(PPF)为原料，通过利用SLA技术制备的多孔支架具有与人松质骨相似的力学性质，并发现支架能促进成纤维细胞的黏附与分化。

　　美国德克萨斯大学埃尔帕索分校的Arcaute等以PEG双丙烯酸酯(PEG-DA)为原料，利用立体印刷技术制备了具有多内腔结构的水凝胶神经导管支架。该支架材料经冻干/溶胀后，能较好地维持材料的初始形态，适合于体内移植。日本东京医科大学的Matsuo等以聚(L-乳酸)/羟基磷灰石(PLLA/HA)为原料，制备了可吸收多孔托架，与辅助牙齿移植材料一起，用于下颌骨肿瘤切除后的下颌骨重建，获得了比金属钛支架更好的修复效果。

　　美国康奈尔大学的Butcher等以PEG-DA/藻酸盐复合原料制备了主动脉瓣水凝胶支架。该水凝胶的弹性模量可在5.3～74.6 kPa范围内变化。制备较大的瓣膜可获得更高的精确度。种植于水凝胶支架上的主动脉瓣间质细胞在培养21天后具有接近100%的存活率。

　　新加坡南洋理工大学的Hutmater等使用PCL为原料，通过FDM技术制备了蜂窝状、内部完全贯通的可降解3D组织工程支架。材料的通道尺寸为160～700 µm，孔隙率为48%～77%。材料的压缩硬度可从4～77 MPa范围内变化，而屈服强度为0.4～3.6 MPa,屈服应变为4%～28%。材料的孔隙率与压缩性质具有高度的相关性。

　　新加坡国立大学Yanli Cai等以多巴胺为引发剂，在3D打印骨架表面接枝胶原蛋白，修饰后的骨架表面具有优异的亲水性和细胞粘附性，接触角达到50.7°，同时接枝胶原蛋白的打印骨架具有优异的软骨分化和维持软骨细胞健康生长的性能。

　　三、国内研究现状与水平

　　(一)临床应用方面

　　随着医用3D打印技术与材料的发展，国内的有关临床应用也越来越成熟。

　　西安第四军医大学采用金属3D打印技术打印出与患者锁骨和肩胛骨完全一致的钛合金植入假体，并通过手术成功将钛合金假体植入骨肿瘤患者体内，成为世界范围内肩胛带不定形骨重建的首次应用，标志着3D打印个体化金属骨骼修复技术的进一步成熟。

　　北京工业大学开发的数字化医疗3D打印模板导向技术，在内蒙古自治区肿瘤医院微创介入中心，成功地为一名上颌窦癌患者实施了放射性粒子植入术，即组织间放疗，首次将3D打印技术用在肿瘤的放射性粒子植入术中，是临床治疗的一次新的突破。

　　江西省人民医院应用3D打印技术制作出的导板，成功应用于无柄髋关节置换术中，并取得了最佳的定位效果。从脱位股骨头、扣上导航模板，到钻孔中心定位，仅仅用了5分钟，就成功实现了精准定位。按照常规定位方法，不仅要多花数倍时间，即使反复调整钻孔并经环锯削骨检验，也难免因偏心锯骨产生不同程度的骨缺损，影响关节安装的位置和强度。

　　浙江大学医学院采用立体喷射成型系统，以琥珀酸树脂为基本成型材料，制作下颌骨3D打印模型，根据下颌骨模型再制作术前预弯重建钛板。此钛板完全贴合于模型表面，省去了在术中弯制钛板的步骤，减少了手术时间，同时达到很好贴合效果。

　　(二)打印材料方面

　　3D打印制品结构表面的生物相容性和功能性不足，阻碍了3D打印技术和打印材料在生物医学领域的广泛应用。3D打印技术与传统的表面修饰技术相结合，可极大地增加和拓宽3D打印技术的应用，尤其在生物医用材料领域。

　　中国科学院上海陶瓷研究所将3D打印骨架和旋涂表面修饰结合，对骨架表面进行功能化修饰，结果显示MBG-β-TCP骨架具有了更高的成骨和骨再生基因表达，并改善了磷灰石的钙化及骨形成效率。

　　南昌大学利用等离子体增强原子层沉积技术，以及水热处理3D打印复杂结构表面，制备出了均匀和有序的功能纳米阵列，此过程没有有毒添加剂或有毒物残留，从而满足了高纯度产品制造的要求。另外，该团队还实现了精确打印人工耳塞，并进行了动物实验和人体试验，实验结果显示，这种耳塞具有优异的耐磨性、隔音效果，以及抑制病原体的生长能力;实验也进一步表明精确3D打印构架结合表面功能化修饰技术在医疗设备中具有一定的应用发展潜力。

　　国家对生物医用3D打印技术及装备等方面也给予了大力支持，国家重点研发计划“增材制造与激光制造”重点专项已部署了多个相关项目，取得了国内首次实现高生物相容性材料钽材料3D个性化打印成型等进展。

　　四、展望

　　就目前来看，生物医用3D打印技术方面的研究成果正如雨后春笋般不断涌现。医用3D打印材料，特别是在组织工程支架材料方面已经取得了诸多成就。

　　然而，生物医用3D打印技术及其材料还是一个新兴的领域，各种研究仍处于初始阶段，要想真正实现临床上的应用还有很长的一段距离，还存在很大的挑战。

　　适用于3D打印的生物医用材料是制约生物医用3D打印技术发展的主要因素，也是未来研究热点。3D打印生物医用材料的研发之所以困难，其主要原因在于临床上对材料的各种性能有极高的要求，材料的选择受到多种因素的制约，既要考虑材料在打印前后的安全性、生物相容性、降解性能、生物响应性等，又要考虑材料能否达到产业化的要求。

　　随着3D打印技术在机械方面的快速发展，生物医用3D打印技术的发展也出现了很多的机遇。未来，可以利用3D打印技术打印出具有生物活性的人体器官，实现人造器官的临床应用，用于个性化治疗，降低治疗成本。将来也有望开发出更多的生物相容性和生物降解材料与3D打印技术相结合，以减轻因材料的不足而对人体产生的伤害。

　　因此，3D打印技术有望引领医疗领域技术革命的潮流。

　　【基金项目】

　　本报告为科技创新战略研究专项项目“重点科技领域发展热点跟踪研究”(编号：ZLY2015072)后续研究成果之一。

　　本文特约编辑：姜念云