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【中國智能制造網(wǎng) 技術(shù)前沿】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(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)。
生物3D打印技術(shù)的發(fā)展對材料學(xué)的影響有多大？
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(diǎn)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(diǎn)：
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(qiáng)度達(dá)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(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)用的材料引人注目，因?yàn)檫@方面的材料難做、費(fèi)用高。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(diǎn)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(shù)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應(yīng)用，標(biāo)志著個(gè)體化金屬骨骼修復(fù)技術(shù)的進(jìn)一步成熟。
目前，3D打印技術(shù)的難點(diǎn)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(diǎn)很高的金屬，更別提納米級粉末顆粒了。多年來，各國的科學(xué)家們致力于研究可以實(shí)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，外國科學(xué)家開發(fā)了一種新技術(shù)，一種可以使用3D打印技術(shù)創(chuàng)建復(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(jì)算機(jī)芯片上創(chuàng)建3-D邏輯電路，又例如制造工程超輕型飛機(jī)組件，這種工藝能創(chuàng)建具有不同特性的各類新型納米材料。
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，這些性能的提升將進(jìn)一步拓寬其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。
醫(yī)用無機(jī)非金屬材料 生物玻璃材料的逆襲
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、低密度、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(diǎn)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(jià)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。
“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)。”中科院上海硅酸鹽研究所研究員常江說，“因?yàn)楹芏嘬浗M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(huì)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。
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(shí)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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高地。
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)域所必須運(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，各類定制化、富有生物活性的人工骨骼將在未來服務(wù)于大量的骨損患者。
本文介紹了隨著生物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(gè)共同發(fā)展大事，隨著打印技術(shù)的發(fā)展，一方面帶動(dòng)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)。
(原標(biāo)題：生物3D打印技術(shù)的發(fā)展對材料學(xué)的影響有多大？)
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