解析：3D打印材料及其应用概述(2)
根据3D 打印方法的不同，要求材料的形态也有所不同。熔融沉积成形（Fused Deposition Modeling，FDM）使用的是丝材，激光选区烧结（Selective Laser Sintering，SLS）则使用的是粉材。由于工业上常用的聚合物原料大多以颗粒为主，制成丝材或粉材都要进行二次加工，提高了3D打印耗材的使用成本，目前也有一些单位开始研发以颗粒为原料的3D打印装备。下面对几种有代表性的材料进行介绍。
PLA 和ABS 是FDM 最常用的耗材，因价格便宜而十分普及。ABS 是常见的工程塑料，具有较好的机械性能，但3D 打印条件要求苛刻，在打印过程中容易产生翘曲变形，且易产生刺激性气味。PLA 是可降解的环保塑料，打印性能较好，是一种较为理想的3D 打印热塑性聚合物，已广泛应用于教育、医疗、建筑、模具设计等行业。此外，PLA 还具有良好的生物相容性，加入羟基磷灰石改性的PLA可用于组织工程支架的制造。
PA是一种半晶态聚合物，经SLS成形后能得到高致密度且高强度的零件，是SLS 的主要耗材之一。SLS中所使用的PA需具有较高的球形度及粒径均匀性，通常采用低温粉碎法制备得到。通过加入玻璃微珠、粘土、铝粉、碳纤维等无机材料可制备出PA复合粉末，这些无机填料的加入能显著提高某些方面的性能，如强度、耐热性能、导电性等，以满足不同领域的应用需求。
PCL 是一种无毒、低熔点的热塑性塑料，PCL丝材主要作为儿童使用的3D打印笔的耗材，因成形温度较低（80~100°C）而有较高的安全性。值得一提的是，PCL具有优异的生物相容性和降解性，可以作为生物医疗中组织工程支架的材料，通过掺杂纳米羟基磷灰石等材料还能够改善力学性能及生物相容性。此外PCL 材料还具有一定的形状记忆效应，在4D打印方面有一定的潜力。
TPU 是一种具有良好弹性的热塑性聚合物，其硬度范围宽且可调，有一定的耐磨性、耐油性，适用于鞋材、个人消费品、工业零件等的制造。结合3D打印技术可以制造出传统成形工艺难以制造的复杂多孔结构，使得制件拥有独特且可调控的力学性能。采用SLS 工艺打印的多孔结构TPU鞋垫的弹性性能和使用强度已达到市场使用标准。
PEEK 是一种半晶态聚合物，具有高熔点（343°C）和优异的力学性能，生物相容性也十分出色， 是目前研究较热的3D 打印材料。纯PEEK 的杨氏模量为3.86±0.72 GPa，经碳纤维增强后可达21.1±2.3 GPa，与人骨的杨氏模量最为接近，可以有效避免植入人体后与人骨产生的应力遮挡以及松动现象，是一种理想的骨科植入物材料。采用3D 打印技术制造的PEEK 植入体（图1）能够很好地满足不同患者不同病情的个性化植入物定制需求，目前国内3D打印PEEK植入物已经在临床上取得了较好的效果。
图1 胸骨假体CAD模型及实物
水凝胶是一种具有交联三维网络的高分子结构，能够吸收并保持大量的水分（可达99%）。根据聚合物来源的不同，可分为天然水凝胶与合成水凝胶。前者如明胶、琼脂、海藻酸钠等具有较高的溶胀性，机械性能相对较差，限制了其应用范围。后者由于水凝胶的成分、结构、交联度可调，使得合成水凝胶的各项性能可以在较大范围内进行调控；同时，合成水凝胶重复性好，能够进行大规模的生产制造，因此得到国内外研究人员的广泛关注。
传统的水凝胶已经在制造隐形眼镜、创伤修复中取得了较多的应用。水凝胶作为组织工程的理想材料，在该领域的应用前景十分广阔。除此之外，水凝胶还可以作为传感器的材料，这是利用了它的膨胀行为和扩散系数随着周围环境变化的特性。传统水凝胶成形主要依靠模具，无法制造复杂结构；采用3D 打印技术成形水凝胶，不仅能够实现复杂形状的制造，还能实现复杂孔隙甚至梯度结构的制造，使得3D打印的水凝胶具有传统制造方式无法获得的性能。此外，水凝胶中可以加入活细胞，使得3D打印人体器官成为可能。
水凝胶的3D打印方法包括光固化成形及直写成形（Direct Ink Writing，DIW）。用于光固化成形的水凝胶成分与光敏树脂类似，包括溶剂、单体、交联剂、光引发剂等，可以添加无机填料以实现水凝胶性能的调控。直写成形是3D打印水凝胶更普及的一种形式。打印时将水凝胶置于注射器中，采用电脑根据设计的结构控制注射器运动及挤出，挤出的水凝胶在外界条件的刺激（温度、水分、pH、光照等）下固化。为了满足3D打印的要求，通常要求水凝胶的固化速度足够快，或者流变性能满足在打印时不发生变形，才能实现成功的打印。目前，商业化的水凝胶打印材料较少，大多数都处于实验室研制阶段。
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