生物材料在3D打印中的應(yīng)用

3D打印正由工業(yè)化用途越來越趨向于民用化用途,。對于耗材,，人們要求它更環(huán)保,，更健康,，而生物材料恰恰可以滿足這種需要,。生物材料正火熱地應(yīng)用于3D打印,，而且不同的3D打印工藝,，對生物材料的選擇也有所不同。我們一起看一下如何為熔融沉積成型（FDM）,、光固化立體成型（SLA）,、選擇性激光燒結(jié)（SLS）以及層片疊加成型（LOM）等3D打印加工工藝選擇適宜的生物材料。

生物材料品種很多,，其分類方法也很多,。生物材料包括金屬材料（如堿金屬及其合金等）、無機材料（生物活性陶瓷,，羥基磷灰石等）和有機材料三大類,。有機材料中主要是高分子集合物材料，高分子材料通常按材料屬性分為合成高分子材料（聚氨酯,、聚酯,、聚乳酸、聚乙醇酸,、乳酸乙醇酸共聚物及其他醫(yī)用合成塑料和橡膠等）,、天然高分子材料（如膠原、絲蛋白,、纖維素,、殼聚糖等）。

不同生物材料各有千秋
聚乳酸（PLA）是FDM使用最常規(guī)并且用量最大的耗材,，具有優(yōu)良的力學(xué)性能,、加工成型性、透明性,、尺寸穩(wěn)定性,、可降解性和生物相容性,。但是純PLA韌性較差、脆性高,，成型制品易碎裂,，不耐熱。目前有大量的研究人員在進行PLA改性的研究,，PLA基材的3D打印耗材歷久彌新,。

聚乙烯醇（PVA）是一種生物降解的合成聚合物，其最大的特點就是它的水溶性,。它通常在3D打印過程中作為支撐材料使用,，在打印過程結(jié)束后，支撐部分能在水中完全溶解,。有效解決了打印懸空問題,，同時又避免了后處理的麻煩，與PLA耗材堪稱完美配合,。

易生研發(fā)人員通過以低聚物乳酸多元醇,、異氰酸酯等為主要原料，經(jīng)平行雙螺桿擠出機合成不同硬段含量不同分子量的生物可降解TPU,，也成為近年來熱門的3D打印耗材,。

該生物可降解TPU具有高伸長、高強度,、低回彈,、透明度高、生物降解性好等特點,，并且生物基聚乳酸多元醇的含量越高,，其降解速率越快；生物基聚乳酸多元醇分子量（1000-4000）越大,，其降解速率越快,。此產(chǎn)品用來做PLA的增韌劑具有優(yōu)異的增韌效果。同時,，也可單獨制作成3D打印耗材,。

生物基TPU-3D打印耗材打印樣品。
金屬材料及無機材料則一般用于SLS中,，利用粉末狀材料在激光照射下燒結(jié),，在電腦控制下按照介面輪廓信息進行有選擇的燒結(jié)，層層堆積,。目前成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉,，用金屬粉或陶瓷粉進行燒結(jié)的工藝還在研究之中。

聚己內(nèi)酯（PCL）具有超低的玻璃化溫度Tg（約-60℃）,，因此在室溫下呈橡膠態(tài),。熔點59-64℃,，具有低溫?zé)崴苄浴Ｔ?D打印中,，由于它熔點低,，所以并不需要很高的打印溫度，從而達到節(jié)能的目的,。

同時,，由于聚己內(nèi)酯的熔點低，它可以有效讓人員在操作時避免燙傷,，并越來越多地應(yīng)用于3D打印筆。另外,，因為其具有形狀記憶的特性,，它使得打印出來的東西具有“記憶”，在特定條件下可以使其恢復(fù)到原先設(shè)定的形狀,。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,，可用來打印心臟支架等。

此外,，生物基光敏樹脂也常應(yīng)用于光固化快速成型中,。它主要是一類由低聚物、單體,、光引發(fā)劑,、助劑混配制成的樹脂。它能在較短時間內(nèi)迅速發(fā)生物理和化學(xué)變化,，進而實現(xiàn)交聯(lián)固化,。其優(yōu)點在于成型精度極高、品質(zhì)好,；成型物體表面光滑且成型速度快,。

3D打印與傳統(tǒng)工藝互補
在傳統(tǒng)制造業(yè)領(lǐng)域，工藝已經(jīng)發(fā)展成熟,，新時代的個性定制的需求也越來越明確,，傳統(tǒng)工藝已經(jīng)非常難以滿足新時代發(fā)展的需要，3D打印作為新的制造成型理念,，同傳統(tǒng)行業(yè)形成了很好的互補,，在有些特殊領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,，3D打印更能發(fā)揮它的定制優(yōu)勢,。對于開發(fā)者來說，3D打印可以讓其頭腦中天馬行空的想法成為現(xiàn)實,。

編輯：南極熊
作者：董成良 楊義滸（深圳光華偉業(yè)股份有限公司 ）