生物3D打印技術的發(fā)展對材料學的影響有多大,？

生物3D打印是利用3D增材制造原理,，以加工活性材料包括生物材料,、生長因子,、細胞等為主要內(nèi)容,，以重建人體組織和器官為目標,，跨學科和領域的新型再生醫(yī)學工程技術。

我們可以形象的把生物3D打印的過程比作給細胞搭房子的過程,。生物材料相當于磚瓦,，生物墨水則相當于混凝土，既能把材料相互粘合,，又能為細胞生產(chǎn)提供類體內(nèi)生長環(huán)境,，而打印機則是水泥工人，負責將磚瓦與混泥土砌成房子,。理論上來說,，所有的材料都可以用來打印。對于生物醫(yī)藥等高端領域,，打印材料的局限性嚴重阻礙了打印技術的發(fā)展,。打印材料的瓶頸已經(jīng)成為研究生物3D打印的重點問題之一。

目前生物3D打印材料的問題主要體現(xiàn)在以下幾點：
1,、可適用的材料成熟度趕不上打印市場發(fā)展的需求,；
2,、材料打印流暢度不夠；特種材料強度達不到要求,；
3,、材料的安全性和環(huán)境友好性問題；
4,、材料的標準化及系列化管理問題等,。

其中研究在生物醫(yī)學上應用的材料最引人注目，因為這方面的材料最難做,、費用最高,。生物醫(yī)用材料的3D打印尤為困難，需要考慮材料的強度,、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,，其特點是分布范圍較廣，但是種類極少,。

今天就向大家介紹醫(yī)用金屬材料與醫(yī)用無機非金屬材料,，隨著生物3D打印技術的出現(xiàn)，其又發(fā)生怎樣了變化呢,？

醫(yī)用金屬材料 納米結構粉末的出現(xiàn)
目前用于生物3D打印的SAHOD料主要有鈦合金,、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金等,。西安第四軍醫(yī)大學西京骨科醫(yī)院打印出與患者鎖骨和肩胛骨完全一致的鈦合金植入假體,，并通過手術成功將鈦合金假體植入骨腫瘤患者體內(nèi)，成為世界范圍內(nèi)肩胛帶不定形骨重建的首次應用,，標志著個體化金屬骨骼修復技術的進一步成熟,。

▲西安3D打印鈦合金骨頭假體成功應用臨床

目前,，3D打印技術的難點之一就是使用難熔金屬進行打印,，特別是像鎢、鉻,、錸這類熔點很高的金屬,，更別提納米級粉末顆粒了。多年來,，各國的科學家們致力于研究可以實現(xiàn)即有成本效益,，又能達到理想性能要求的新工藝。

前些日子，外國科學家開發(fā)了一種新技術,，一種可以使用3D打印技術創(chuàng)建復雜的納米級金屬結構,。這種技術將可以用于各種各樣的應用中，例如在微小的計算機芯片上創(chuàng)建3-D邏輯電路,，又例如制造工程超輕型飛機組件,，這種工藝能創(chuàng)建具有不同特性的各類新型納米材料。

▲以鎳和有機配體為原材料進行3D打印的示意圖

隨著納米級3D打印技術的出現(xiàn)和發(fā)展,，納米粉末打印材料成為了研究者們熱議的話題,，金屬粉末占據(jù)了打印粉末市場的主要位置。先進的納米結構粉末對超細的晶體結構要求高,，納米結構粉末可以顯著改善打印成品的物理化學力學性能,，這些性能的提升將進一步拓寬其在生物醫(yī)學領域的應用。

▲剛3D打印好的和熱解后的鎳納米結構SEM圖

醫(yī)用無機非金屬材料  生物玻璃材料的逆襲
無機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。其中,，生物陶瓷具有高硬度,、高強度、低密度,、耐高溫,、耐腐蝕等優(yōu)異性能，在醫(yī)學骨替代品,、植入物,，齒科和矯形假體領域有著廣泛的應用。但生物陶瓷韌性不高,，硬而脆的特點使其加工成形困難,，尤其是形狀或內(nèi)部結構復雜陶瓷部件需通過模具來成形，而模具加工價格昂貴且開發(fā)周期長,，難以滿足產(chǎn)品的需求,。近年來，針對生物陶瓷制作工藝復雜,、成型加工困難的問題,，研究者們采用3D打印技術來制備生物陶瓷，并取得了長足的進展,。

▲3D打印牙齒

“絕大多數(shù)生物陶瓷都是用于骨和牙齒等硬組織修復,，但現(xiàn)在通過生物學效應發(fā)現(xiàn)，生物陶瓷還能夠調(diào)控細胞,，很好地促進創(chuàng)傷愈合,，也可以促進其它一些軟組織,，包括心肌、皮膚,、脂肪的再生,，還能夠促進干細胞分化，用于各種不同的軟組織修復,�,！敝锌圃荷虾９杷猁}研究所研究員常江說，“因為很多軟組織創(chuàng)傷的修復都需要血管的生長,，如果生物陶瓷材料能夠促進血管的再生,，就可以修復更多的軟組織創(chuàng)傷�,！�

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,，在一定配比和化學反應條件下，會生成含有羥基磷酸鈣的復合物,，具有很高的仿生性,，是生物骨組織的主要無機成分。

▲多孔生物活性玻璃

由于生物玻璃材料具有降解性和生物活性,，能夠誘導骨組織的再生,，因此在骨組織工程的研究領域被作為組織工程支架材料廣泛應用，在無機非金屬材料領域具有非常廣闊的應用前景,。研究者曾用生物玻璃材料制備出猴子大腿骨,，植入其體內(nèi)，經(jīng)一定時間后取出研究,，發(fā)現(xiàn)再生的猴子骨細胞已長入生物玻璃的網(wǎng)狀結構內(nèi),，且結合非常緊密；并且經(jīng)力學實驗測試發(fā)現(xiàn)這種人造骨比原骨力學性能更優(yōu),。

生物3D打印技術帶動材料學發(fā)展
目前,，隨著生物3D打印技術的逐漸成熟，越來越多的人開始關注其所需要的生物材料,，開發(fā)出更多生物相容性好,，包含活性組分，機械強度能夠滿足體內(nèi)植入需求的材料成為新的研究高地,。

Nova菌也認為,，生物3D打印技術不僅僅是一門創(chuàng)新的技術，更是各相關領域所必須運用的科學手段,，通過生物3D打印技術,，能夠挖掘更多的生物相容性材料來滿足臨床，乃至未來器官制造的需求,，在骨骼治療中,，隨著納米級結構粉末的出現(xiàn)與生物玻璃材料的逆襲，我們不難看出,，“人造骨”正在不斷進化,，各類定制化、富有生物活性的人工骨骼將在未來服務于大量的骨損患者,。

本文介紹了隨著生物3D打印技術的日趨成熟,，醫(yī)用金屬材料、醫(yī)用無機非金屬材料有著重大突破,。生物3D打印技術是一個共同發(fā)展大事,，隨著打印技術的發(fā)展，一方面帶動了材料學的創(chuàng)新,，另一方面,，各類適用于生物3D打印技術的材料突破，也直接反哺了生物3D打印技術,。

來源：Nova菌