生物醫(yī)用材料與3D打印技術的完美結合

生物醫(yī)用材料指的是用于醫(yī)療上能夠植入生物體或與生物組織相結合,，而對生物體組織不會產(chǎn)生不良影響的材料。3D打印技術,，即快速成型技術的一種,，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，配合機械制造和材料科學,，使材料在液態(tài)或是氣態(tài)時直接固化成所需結構,。臨床醫(yī)學研究人員可根據(jù)不同患者的需求，采用3D打印技術快速精確打印出適合不同患者的個性化生物醫(yī)用生物材料,，同時,，還可以對材料的微觀結構進行精確控制。因此,，這種新興生物醫(yī)用材料的研制結合3D打印技術,，在未來生物醫(yī)學領域?qū)�會得到更廣泛的應用和發(fā)展。

3D 打印技術作為新生事物,，被譽為“第三次工業(yè)革命的重要標志之一”,。該技術是一項具有工業(yè)革命意義的高新制造技術,，代表了世界制造業(yè)發(fā)展的新趨勢，它使產(chǎn)品從設計到制造之間僅隔“打印”按鈕的距離,。2012 年8 月,，美國總統(tǒng)奧巴馬撥款3000 萬美元,，在俄亥俄州建立了國家級3D 打印研究中心,，啟動了“重振美國制造業(yè)計劃”。很多專家媒體也樂觀地認為：3D 打印產(chǎn)業(yè)將成為下一個具有寬廣前景的朝陽產(chǎn)業(yè),。
3D 打印在生物醫(yī)學上的應用
3D 打印在生物醫(yī)學上的應用主要體現(xiàn)在醫(yī)學模型快速建造,、組織器官代替品制作、臉部修飾與美容等三方面,。

醫(yī)學模型快速建造
醫(yī)學道具,、模型、用品等材料可通過3D 打印獲得,。利用3D 打印技術,，可將計算機影像數(shù)據(jù)信息形成實體結構，用于醫(yī)學教學和手術模擬,。傳統(tǒng)醫(yī)學教學模型制作方法時間長, 且搬運過程容易損壞, 使用3D 打印技術, 可有效減少制作時間,，根據(jù)需要隨時制作，并降低搬運損壞的風險,。據(jù)報道, 美國某醫(yī)院在所實施的頭顱分離手術前,，先使用3D 打印機造出了嬰兒連體頭顱模型，并對手術方案進行充分的研究分析,。他們將往常同類型手術72 小時縮短到了22 小時,。

目前，3D 打印醫(yī)學模型已獲得較好的技術支持,，具備一定的打印速度,，能使用多種材質(zhì)進行打印，應用程度高,，有著很好的應用前景,。

組織器官代替品制作
人體組織器官代替物的材料要求很高，實現(xiàn)難度大,。但目前已有一些成功案例,，比如復制人體骨骼, 制作義肢等[5]。比如,，人體某塊骨骼缺失或損壞需要置換,，首先可掃描對稱的骨骼，形成計算機圖形并做對稱變換,，再打印制作出相應骨骼,。與傳統(tǒng)方法相比,，該技術不需要先制作模具，可直接打印,，建造速度較快,。

這項技術可應用于牙種植、骨骼移植等[6,7],。與此同時,，微型人體肝臟也已被成功制造。德國研究人員利用3D 打印機等相關技術,，制作出柔韌的人造血管,，并能使血管與人體融合，并同時解決了血管免遭人體排斥的問題,。該技術的不斷進步和應用的深人將有助于解決當前和今后人造器官短缺所面臨的困難,。

臉部修飾與美容
利用3D 打印技術制作臉部損傷組織，如耳,、鼻,、皮膚、牙齒等[8,9],，可以得到與患者精確匹配的相應組織,，為患者重新塑造頭部完整形象，達到美觀效果,。首先掃描臉部建立起3D 計算機數(shù)據(jù),；醫(yī)生可以制作出患者所缺少的部位，重現(xiàn)原來面貌,。比起傳統(tǒng)技術,，該方法更精確，材質(zhì)選擇更加多樣化,。據(jù)報道,，一位左半邊臉上長著腫瘤的患者，在做了切除手術后臉上留下了一個大洞,。醫(yī)生利用3D 打印技術為患者制作了一張假臉,。制作中，首先全面掃描患者頭骨及面部,，根據(jù)所得的結果分析并建立起原來的面部三維圖像,，再打印輸出實物，通過使用特殊的材質(zhì),，再打印制作出與面部完美貼合并且栩栩如生的假臉,。

3D 打印技術在醫(yī)療器械制造領域中仍然是一種新型技術，仍然存在著諸多的挑戰(zhàn)：
（1）3D 打印工藝技術在骨科植入物中應用還不成熟，即使最為成熟的EBM 技術中電子束與粉末之間的相互作用,、變形及殘余應力控制,、表面粗糙度、內(nèi)部結構缺陷的控制等關鍵技術問題和穩(wěn)定性仍然需要提高,。

（2）“打印材料”研發(fā)是發(fā)展的難點,，現(xiàn)在骨科器械領域常用的金屬材料為鈦合金粉末，由于受到材料的粒度分布,、松裝密度,、氧含量、流動性等性能的影響,，其他的金屬材料和高分子材料的打印技術仍然處在試驗階段,，對于具有活性的打印材料,，如何維持細胞的活性及其功能的研究還是瓶頸技術,。

（3）精度和效率都有待進一步的提高。3D 打印的精度受到設備能力,、打印材料性能,、打印工藝水平等多方面限制，目前國內(nèi)3D 打印還難以實現(xiàn)高精度零部件直接成型,，仍需要后期其他加工工藝的補充與配合,，進一步提高精度和效率尤為關鍵。

（4）多種不同特性和不同功能材料的復合打印技術有待突破,，特別是在骨科器械領域需求尤為明顯,，例如金屬與陶瓷的復合打印、金屬或陶瓷與高分子材料的復合打印,，軟硬組織的復合打印,，不同功能的活性組織在細胞級別的打印等。

（5）成本投入高,。3D 打印設備價格昂貴,，打印材料來源單一、工藝技術引進難度大,、效率和精度較低,，日常維護費用高等多因素都導致了現(xiàn)階段的高投入和低產(chǎn)出，形成產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和得到項目的專項扶持迫在眉睫,。

但隨著3D 打印技術所支持材質(zhì)的增多,，打印質(zhì)量的精細化，其應用水平亦將得到進一步提高,，一定會有更加廣闊的天地,。

編輯：南極熊
作者：陳賢明 陸國英 單位：杭州新亞齒科材料有限公司