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生物3D打印技術(shù)的發(fā)展對材

發(fā)布時間：2022-09-07 18:20:11瀏覽：7135點贊：

生物

3D打印是利用3D打印原理，以加工活性材料包括生物材料

、生長因子

、細(xì)胞等為主要內(nèi)容

，以重建人體組織和器官為目標(biāo)，跨學(xué)科和領(lǐng)域的新型再生醫(yī)學(xué)工程技術(shù)。

我們可以形象的把生物3D打印的過程比作給細(xì)胞搭房子的過程。生物材料相當(dāng)于磚瓦

，生物墨水則相當(dāng)于混凝土，既能把材料相互粘合

，又能為細(xì)胞生產(chǎn)提供類體內(nèi)生長環(huán)境

，而打印機(jī)則是水泥工人，負(fù)責(zé)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(lǐng)域

，打印材料的局限性嚴(yán)重阻礙了打印技術(shù)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：

、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(qiáng)度達(dá)不到要求；

、材料的安全性和環(huán)境友好性問題

；

4、材料的標(biāo)準(zhǔn)化及系列化管理問題等

。

其中研究在生物醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的材料最引人注目

，因為這方面的材料最難做、費(fèi)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(qiáng)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(jī)非金屬材料，隨著生物3D打印技術(shù)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(jié)構(gòu)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(xué)西京骨科醫(yī)院打印出與病人鎖骨和肩胛骨完全一致的鈦合金植入假體，并通過手術(shù)成功將鈦合金假體植入骨腫瘤病人體內(nèi)

，成為世界范圍內(nèi)肩胛帶不定形骨重建的第一次應(yīng)用

，標(biāo)志著個體化金屬骨骼修復(fù)技術(shù)的進(jìn)一步成熟。

▲西安3D打印鈦合金骨頭假體成功應(yīng)用臨床

目前

，3D打印技術(shù)的難點之一就是使用難熔金屬進(jìn)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

，各國的科研員們致力于研究可以實現(xiàn)即有成本效益

，又能達(dá)到理想性能要求的新工藝。前些日子

，外國科研員開發(fā)了一種新技術(shù)

，一種可以使用3D打印技術(shù)建造復(fù)雜的納米級金屬結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)將可以用于各種各樣的應(yīng)用中

，例如在微小的計算機(jī)芯片上建造3-D邏輯電路

，又例如制造工程超輕型飛機(jī)組件，這種工藝能建造具有不同特性的各類新型納米材料

。

▲以鎳和有機(jī)配體為原材料進(jìn)行3D打印的示意圖

隨著納米級3D打印技術(shù)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(jìn)的納米結(jié)構(gòu)粉末對超細(xì)的晶體結(jié)構(gòu)要求高

，納米結(jié)構(gòu)粉末可以顯著改善打印成品的物理化學(xué)力學(xué)性能，這些性能的提高將進(jìn)一步拓寬其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

。

▲剛3D打印好的和熱解后的鎳納米結(jié)構(gòu)SEM圖

無機(jī)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(qiáng)度

、低比重

、耐高溫

、耐腐蝕等優(yōu)異性能，在醫(yī)學(xué)骨替代品

、植入物

，齒科和矯形假體領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)復(fù)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(fù)雜

、成型加工困難的問題

，研究者們采用3D打印技術(shù)來制備生物陶瓷，并取得了長足的進(jìn)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(fù)

，但現(xiàn)在通過生物學(xué)效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，生物陶瓷還能夠調(diào)控細(xì)胞

，很好地促進(jìn)創(chuàng)傷愈合

，也可以促進(jìn)其它一些軟組織，包括心肌

、皮膚

、脂肪的再生，還能夠促進(jìn)干細(xì)胞分化

，用于各種不同的軟組織修復(fù)

。”中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員常江說

，“因為大量軟組織創(chuàng)傷的修復(fù)都需要血管的生長，如果生物陶瓷材料能夠促進(jìn)血管的再生

，就可以修復(fù)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(xué)反應(yīng)條件下

，會生成含有羥基磷酸鈣的復(fù)合物，具有很高的仿生性

，是生物骨組織的主要無機(jī)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(dǎo)骨組織的再生，因此在骨組織工程的研究領(lǐng)域被作為組織工程支架材料廣泛應(yīng)用

，在無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)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(xì)胞已長入生物玻璃的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，且結(jié)合非常緊密

；并且經(jīng)力學(xué)實驗測試發(fā)現(xiàn)這種人造骨比原骨力學(xué)性能更優(yōu)

。

生物3D打印技術(shù)帶動材料學(xué)發(fā)展目前，隨著生物3D打印技術(shù)的逐漸成熟

，越來越多的人開始關(guān)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(jī)械強(qiáng)度能夠滿足體內(nèi)植入需求的材料成為新的研究制高點

。 Nova菌也認(rèn)為，生物3D打印技術(shù)不僅僅是一門創(chuàng)新的技術(shù)

，更是各相關(guān)領(lǐng)域所必需運(yùn)用的科學(xué)手段

，通過生物3D打印技術(shù)，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(jié)構(gòu)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(jìn)化，各類訂制化

、富有生物活性的人工骨骼將在未來服務(wù)于大量的骨損病人

。

魔猴網(wǎng)這篇文章介紹了隨著生物3D打印技術(shù)的日趨成熟，醫(yī)用金屬材料

、醫(yī)用無機(jī)非金屬材料有著重大突破

。生物3D打印技術(shù)是一個共同發(fā)展大事，隨著打印技術(shù)的發(fā)展

，一方面帶動了材料學(xué)的創(chuàng)新

，另一方面，各類適用于生物3D打印技術(shù)的材料突破

，也直接反哺了生物3D打印技術(shù)

。

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