3D打印技术在生物医用材料领域的应用

华北科技学院材料科学前沿结课论文学生姓名：学 号：专业班级： 3D打印技术在生物医用材料领域的应用XXX（华北科技学院 机电工程学院 ，北京东燕郊 ）摘要：生物医用材料是指用于医疗上能够植入生物体或与生物组织相接合的材料,可用于诊断、治疗,以及替换生物机体中的组织、器官或增进其功能。生物医用材料在20世纪60年代兴起，80年代获得高速发展，在临床实践中具有广泛的应用。3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术能够根据不同患者需要,快速精确制备适合不同患者的个性化生物医用高分子材料,并能同时对材料的微观结构进行精确控制.因此,这种新兴的医用高分子材料制备技术在未来生物医学应用(尤其是组织工程应用)中具有独特的优势.本文介绍了3D打印技术在生物医用材料领域的应用研究进展情况，主要集中在生物医用高分子材料和生物医用无机非金属材料2大领域。1.前言3D打印是一项20世纪80年代后期逐渐兴起的新型数字化成型技术V-3其基本加工原理是:根据计算机辅助设计(CAD)模型或断层扫描(CT)形成的数据，在电脑程序控制下，基于离散、堆积成型的原理，通过“分层打印、逐层叠加”的方式，对材料进行精确堆积以快速加工制造任意形状的3D复杂物体(见图1)3D打印技术具有能够按照设计的模型构建特定空间结构的能力，并能在制备材料时对其微观结构进行精确控制。这种具有独特优势的新兴技术，正在越来越广泛地影响着各行各业的发展。 近年来，3D打印技术在生物医用材料应用领域的研发已得到越来越多的关注，并取得了诸多成就。研究人员可根据不同患者的需求，采用3D打的个性化生物材料。在理论创新方面，提出了“生物印刷”的概念，即将3D打印技术和生物工程技术结合起来，将材料科学、生命科学与印刷技术相融合，为研究组织工程学在3D尺度上与人体器官和组织相似的三维实体相匹配进行精确控制提供了新的思路和方法。导电聚合物具有独特的电活性和导电性特点，不仅可用作药物、基因载体;在电刺激条件下，尚可调节细胞的豁附、迁移、增殖及分化等其他功能，在“生物印刷”技术中具有重要的研究意义。危岩及其课题组着重于导电聚合物材料的研发，取得了丰富的成果，并归纳了“生物印刷电子材料”技术的核心，即采用3D打印技术将具有电活性的材料制备成生物医用支架，继而在此支架上实现可以调控和优化的可控细胞和组织生长，最终获得有生物功能的新产品或新技术，以应用医学检测、诊断和治疗。这些成果对3D打印技术在医疗行业的发展产生了巨大的促进作用。2.3D打印技术在生物医用高分子材料领域的应用 在生物医用高分子材料研究领域，国内外已开始应用3D打印技术进行相关的制备与加工工作，包括器官模型、个性化组织工程支架材料、细胞及组织的制备等方面，并已取得不同程度的进展。2.1.器官模型的制备 为保证医疗手术的安全实施，医生会根据病变器官模型进行分析策划以确定重要的手术方案。而人体器官往往具有复杂的空间结构，传统加工方法很难快速甚至无法制备与之相匹配的模型。利用3D打印技术对材料进行精确控制的优点可快速制备出高质量的器官模型。其工艺过程为:首先获取患者病变器官二维CT图像，进而构建其三维实体模型数据文件，然后利用3D打印技术快速制备出高度仿真的器官模型。模型的高效制备为手术分析策划提供了重要参考，也为学术研究提供了极其便利的条件。 Matthias采用3D打印技术快速制备出具有内部小孔的模型件，对其内部结构进行了精确控制，小孔孔径尺寸可低至450 u m，壁厚低至330 u m，其形状如图2所示。经测试分析可知，该件的机械强度达到22MPa以上，具有良好的力学性能，可满足器官模型的一般使用要求。徐华等将麻醉的Beagle犬在CT机上平扫头颅，获取数据后进行三维重建以获得STL格式(最多快速原型系统所应用的标准文件类型)的3D头颅数据，然后将此数据输人3D打印机，以树脂粉末为原料，快速打印出下领骨的3D模型。藉此模型，他们利用聚经基乙酸/聚乳酸制备出了下领支骸突形态3D结构模型，所制备3D模型与实物复合率高于90%以上。同时还进行了模型与犬骨髓基质细胞的体外复合培养实验研究，结果如图3所示。由图3可看出，骨髓基质细胞豁附于器官模型的纤维表面，依纤维方向生长并充分铺展;且分泌出大量细胞外基质，通过他们使得骨髓基质细胞彼此相连。研究结果表明，所制备的3D器官模型具有高度的仿真性和良好的生物相容性，适于学术研究及动物模型的软组织或硬组织修复等工作。 北京印刷学院生物印刷实验室胡垫研究组与广州军区总医院骨科实验室张余研究组联合开展了人体病变3D打印模型研究，通过对患有严重脊柱侧弯畸形的病人进行CT扫描，将患者病变部位数据导人三维重建软件，生成STL格式文件后再输人3D打印机，利用激光烧结技术生成模型，如图4所示。高度仿真的模型为医疗策划分析及制定相应的手术方案提供了极其重要的参考信息和依据。2.2.个性化组织工程支架材料的制备 水凝胶具有良好的生物相容性，是第一种应用于人体的高分子生物材料，且可方便地制作成不同形状的3D结构，因此被广泛用作组织工程领域生物支架的基本结构材料。 随着3D打印技术应用于生物医用材料的兴起，科研工作者对水凝胶的研究也取得了诸多进展。如Gauvin9以甲基丙烯酸酯修饰的明胶为原料，制备了可作为个性化组织工程支架材料使用的水凝胶，并进行了体外细胞培养实验研究。图5为其微结构免疫荧光图片，其中a,b为细胞培养初始阶段的荧光图片，c,d为培养4天后。由图可看出，内皮细胞的特定标记CD31(a)和血管性假血友病特征(b)显示出培养阶段仍保持内皮细胞的形状;并且，K i67标签(c)显示出人脐静脉内皮细胞(HUVEC)附着在支架标签上(d)，说明在培养4天后已经出现了细胞增殖现象。所制备的水凝胶材料具有内部贯通的孔结构，可促进内皮细胞HUVEC的均一分布和分化，并能维持细胞的表面形态和生物功能。并且，支架材料的微观结构可控，其力学性能也可通过3D打印时改变原料结构和高分子浓度来调节。 Pescosolido和Naumann等人还发现，透明质酸衍生物经节酷修饰后或葡聚糖/透明质酸(Dex-基酷(HEMA)修饰后，取其为原料所制备的3D水凝胶，具有良好的生物相容性，适于制备组织工程支架。aumann应用此技术已成功制备出耳廓支架。 其他研究人员如新加坡南洋理HEMA/HAc)经甲基丙烯酸经乙工大学的Hutmater和香港大学的Wang等人也在此领域取得了诸多进展。Hutmater等使用聚己内PCL)为原料，制备出了质量优良可降解的3D组织工程支架。其外形呈蜂窝状，内部分布有完全贯通的小孔。支架材料的力学性能(强度和压缩性能等)与小孔尺寸和孔隙率高度相关:如支架材料的小孔尺寸为160一700 u m，孔隙率为48%一77%时，材料的屈服强度在0.4 -3.6MPa范围内变化，屈服应变在4%-28%范围内变化，而压缩硬度则在4一77MPa范围内变化。Hutmater等人还做了人初级成纤维细胞与材料共培养的实验研究，发现经培养3 - 4周后，细胞便已完全充满支架材料的空隙，表明支架材料具有良好的生物相容性.2.3.细胞的制备 近年来，研究者已开始广泛关注细胞的3D打印技术，如通过携带细胞进行3D打印而直接制备动物器官、组织的方法。此技术的优点在于通过对加工过程的精确控制优势，调节细胞在微观尺度上的排列情况，以实现对单个细胞的行为和细胞间的相互作用(细胞与细胞、细胞与材料)进行控制，从而促进细胞形成具备各种功能的组织，为医疗手术及术后恢复提供便利。 细胞的3D打印技术较为常用的方法是:以双键封端聚乙二醇(PEG，如聚乙二醇二丙烯酸酷(PE G一DA) 或聚乙二醇二甲基丙烯酸酷(PEG-DMA)水溶液与含有细胞的培养液进行混合，形成可光固化的高分子/细胞混合溶液，继而通过3D打印制备出水凝胶，细胞便已包覆在此水凝胶内，再将其应用于医疗领域。除光聚合反应技术被应用于细胞的3D打印外，其他生物相容的原位凝胶成型技术也已被广泛应用，以便使制备的3D细胞具有更佳的性能。如Gaetani和Fedorovich将藻酸盐与细胞的混合溶液打印成型后，再在二氯化钙(CaCh)溶液中浸泡，使得藻酸盐与钙离子(C a-十)形成稳定的离子交联网络。 其他科研工作者也在此领域取得了相应的成就，如多伦多大学的Leng等通过3D打印技术制备的单个细胞到凝胶状片层结构中，生长成特定的片层皮肤状结构，如图6所示。据报道，2013年12月，剑桥大学再生医疗研究所首次成功使用大鼠视网膜的神经节细胞和神经胶质细胞通过3D打印技术制备出了3D结构的人工视网膜细胞。人工视网膜细胞打印出来后存活良好，并且可以分裂生长，这一突破性的进展为人类治愈失明带来了希望。2.4.组织的制备科研工作者也已在通过3D打印技术来制备空间结构复杂的组织这方面取得了长足的进展。如伍卫刚19应用3D打印技术，根据“层层打印，逐层叠加”的制作原理，将载体材料(左旋聚乳酸粉末)和活性药物(左氧氟沙星和妥布霉素)组装、制备成具有预先设计结构的多药控释型载药人工骨。所制备的多药控释型载药人工骨支架呈圆柱体结构，扫描电镜观察显示该载药人工骨呈多孔结构，粉粒粘结良好、微孔分布均匀、互相联通、大小相仿、孔径约为50一100um，如图7所示。Cui Xiaofeng采用3D打印技术制备的纤维蛋白，其微观结构横截面如图8所示。从图8可以看出，所制备的纤维蛋白组织内部存在一个开放的中空管道结构(图8-a)，这种结构可为细胞提供接种及扩散的空间;而更大倍数的SEM照片(图8-b )显示出制备的纤维蛋白表面存在许多纳米级纤维，这种结构非常有利于细胞附着和激增。3.3D打印技术在生物医用无机非金属材料领域的应用 生物无机非金属材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和医用碳素材料。其中，生物陶瓷广泛应用于医学骨替代品、植人物、牙科和矫形假肢。近年来，对采用3D打印技术来制备生物医用无机非金属材料的研究也取得了长足的进展。如Leong采用制备好的纳米经基磷灰石(HA)和聚酷复合微球为原料，或直接将HA粉末与聚酷粉末共混为原料，通过3D打印制备聚酯/HA的3D复合材料，以便应用于生物医用领域。Pamela Habibovic在低温条件下，利用磷酸氢钙和三斜磷钙石制备出不同形状的植人填充物，其SEM照片如图9所示。力学测试结果表明，这些植人物均具有一定的力学强度，可满足生物工程要求。由这2种材料制成的植人填充物具有不同程度的骨引导和骨诱导性。生物玻璃主要由硅(Si)、钠(N a)、钙(Ca)和磷(P)的氧化物按一定的配比组成，经过化合反应后，会生成一种叫做经基磷酸钙CCaS(P04)3(OH)的新成分，具有高度的仿生性，是生物骨头的主要构成成分。由于生物玻璃材料具有生物活性，已被材料科学、生物化学及分子生物学科共同关注，在生物医用无机非金属材料领域的应用前景非常可观。研究者曾用生物玻璃材料制备出猴子大腿骨，植人其体内，经一定时间后取出研究，发现再生的猴子骨细胞已长人生物玻璃的网状结构内，且结合非常紧密。并且，经力学实验测试发现这种人造骨比原骨力学性能更优。2011年，美国华盛顿州立大学的研究人员采用3D打印技术将磷酸钙打印出一个像骨骼的结构，可在分解前作为新骨骼细胞生长所需的支架，已在动物身上成功进行了试验，取得了令人满意的结果。3D打印技术与生物玻璃材料相结合，利用3D打印的精确成形性能与生物玻璃的结构优势，必将在组织工程支架材料、骨科、牙科、中耳、癌症治疗和药物载体等方面的获得广泛应用。 医用碳素材料是一种化学惰性材料，在体内不会被腐蚀或磨损，如碳/碳复合材料、碳纤维增强树脂等多种高性能结构材料集高强度低模量于一身，并且不会产生对机体有害的离子，已作为修复或替代受损骨组织的材料广泛应用于骨伤外科;另一方面，医用碳素材料又具有良好的生物相容性，甚至具有罕见的抗血凝性能，可直接应用于心血管系统。伦敦的齿科医生Andrew Dawood采用3D打印技术先用钦粉打印出缺失的骨骼，再用生物医用碳素纤维材料打印出脸部组织，最终给患者打印出一个完美的左脸。随着3D打印技术的发展，结合医用碳素材料的优良性能，对具有复杂空间和多重生物功能的人体器官的制备必将显示出巨大的优越性，在心血管系统、组织、牙科及骨科等领域的应用前景也将非常广泛。4.总结与展望综上所述，应用3D打印技术制造个性化复杂内植人物拥有巨大的优势和发展前景，主要表现在如下2方面:(1)3D打印技术具有自由成型的特点，能快速精确地制造个性化内植人物，不仅可减少患者的等待时间，提高手术质量，还解决了传统通用型内植人物修复时形状不匹配和力学性能差的问题;(2) 3D打印技术特别适合复杂产品的成型，在制造多孔内植人物和有复杂微观结构的复合内植物方面具有独特优势。以上2种内植人物有望解决现有内植人物普遍存在的应力屏蔽现象和生物活性低的问题。因此，3D打印技术可应用于个性化颅领面骨修复、个性化人工膝关节修复、个性化牵引成骨、手术导航与定位器具等个性化内植物与医疗器械的制造。 就目前的发展来看，3D打印技术在生物材料制备的研发过程中已取得诸多成就，但其大面积的生产仍处于开发阶段。要实现采用3D打印技术制备生物医用材料在临床上取得广泛应用还存在很多困难。究其原因，首先在于原料的选择，既要考虑其生物相容性、生物响应性、降解性能、力学性能等因素，又需适宜于规模化生产以满足市场需求，因此开发合适的原料依然任重而道远。其次，在