盘点常见医用3D打印材料

国际金属加工网 2020年09月15日

近年来,3D打印技术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)

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