3D打印材料发展现状及未来方向！（聚合物、陶瓷、金属、仿生材料）(4)
四、仿生3D打印材料
现今的大部分生物材料都是由无机-有机复合材料组成，通过对生物材料的微观结构加以合理利用，并对不同性质的材料进行组合，可以实现材料在生物领域的应用。通过生物材料形成的结构其具有多级性与复杂性。通过3D打印技术得到的材料，可以用于模拟生物材料。制备生物材料的3D打印技术，可以同时打印2种甚至多种不同类型的材料。生物材料的3D打印技术，可以实现生物支架打印、细胞打印，还可以打印出活的细胞，以及聚合物药物生长因子，实现特定位置的3D打印技术。现今比较前沿的3D打印技术，可以打印出生物组织和器官，如上文提到的生物打印骨骼。通过这种方法得到的产品，可以用于治疗机体损伤。喷射材料挤出和光固化成型是目前比较流行的活体细胞3D打印技术。并且，还需对生物组织结构进行合理化的模拟研究，从而提高生物材料应用的准确性与可靠性。
以通过3D打印技术制备血管生物材料为例，主要依赖的就是材料挤出技术和光固化3D打印技术，从而实现血管材料的构建。Hinton等通过研究实现了通过凝胶浴辅助支撑的3D打印方法，凝胶浴的主要成分是明胶微粒。明胶微粒是塑性流体，在低剪切应力的情况下，其为弹性固体，在剪切应力高于临界值时，其可以像粘性流体一样流动。通过控制3D打印材料在喷嘴挤出后，进入凝胶浴中进行移动，控制剪切应力的变化控制凝胶浴的流动，从而控制喷嘴挤出材料的成型，进而构造支化的动脉结构。生物3D打印技术对精度的实现还很有限，通过该方法打印得到的血管一般直径比较大，其拥有毫米级的直径分布。近期，科研人员研究出了利用精度较高的双光子聚合打印方法，通过该方法打印出的血管结构内径和壁厚降低到18μm和3μm。
通过研究人员的努力，已经形成了仿生原理和3D打印技术结合的新方式，通过这种方式，在实现3D打印生物材料功能性的同时，还可以实现材料的精度控制。虽然3D打印生物材料的技术在不断成熟，但是利用3D打印方式实现生物材料的产业应用还面临着不少难题。首先，亟待解决的是3D打印生物材料技术精度的提高，如实现毛细血管这种细微结构的打印;其次，通过3D打印技术得到生物材料的原材料选择较少，并且技术层面主要是光固化技术，原料多用光敏树脂等合成材料;第三，对填料在材料中的取向控制仍有待加强，需提高生物材料的微观结构控制的精度。
五、其它材料
除去上文所述的聚合物材料、陶瓷材料、金属材料以及仿生3D打印材料等，还存有很多可以适用于3D打印技术的原材料，多3D打印技术的发展具有很大的帮助作用。目前较为流行的3D打印材料还包括覆膜砂、农作物秸秆、聚乳酸、石膏、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等。覆膜砂是一种通过热固性树脂(如酚醛树脂)为原料，在其中添加一定量的锆砂和石英砂进而制备得到，通过激光烧结3D打印技术可以得到以覆膜砂为原料的3D打印成品，另外也可通过铸造砂型制备覆膜砂金属器件，尤其是可以应用到具有复杂形状的有色合金铸造领域，如镁铝合金等较为常见的金属。农作物秸秆是农业生产中产量较大的废弃物，作为可再生资源，农作物秸秆的再利用引起了科研人员的广泛兴趣。江苏扬州的一家企业就自主研发出了以玉米秸秆为主要原料的新型3D打印材料。农作物秸秆原料具有天然的颜色及纹理，通过该原料利用3D打印技术打印而成的花瓶、餐盘等日常生活用品不仅外表漂亮，在生活中也很实用，还伴有淡淡的草木清香，低碳环保，深受消费者喜爱。并且农作物秸秆产量大、成本低，大大降低了成品的制作成本，具有广泛的应用前景。
六、3D打印材料发展方向
现今，已经有300多种适用于3D打印的材料问世。对于3D打印的应用前景还很依赖于3D打印材料的研发以及其市场化推广。在我国，市面上相对较为流行的3D打印设备是桌面打印机，但相比国外，我国3D打印材料的科研水平还处于起步阶段，有很大的发展空间。
通过上文所述，虽然也有ABS树脂等这些被广泛应用于3D打印技术的聚合物材料，但这些原理的成本还相对较高，通过其打印而成的产品，在打印精度和成型度上还不是非常乐观，相比于国外同类产品要低。就3D打印设备而言，我国还依赖于进口设备，由于打印效果不理想，自主研发的3D打印设备还未能占领市场。比较常用的金属材料的国内生产水平也较低。因此，我国的3D打印成本较高，产业应用速度慢，严重阻碍了我国3D打印技术的发展。
所以，在3D打印技术越来越流行的现代社会，专家学者越来越关注如何降低3D打印的成本，研发出更加经济实用的3D打印材料和设备。通过市场的反应可以看出，人类生产生活对3D打印技术的要求是提高3D打印产品的机械性能和可加工型，便于产品成型，提高成型精度和成型细节。并且，对于3D打印产品的抗腐蚀、耐磨、耐热等方面的性能要求也越来越苛刻。虽然3D打印技术的发展遭遇了瓶颈，但是由于3D打印技术带来的种种优势，研究者和企业对3D打印技术的开发，对3D打印原料的选择热情仍然高涨。
通过3D打印技术可以降低产品生产时长，进而提高制造过程的经济学，优化原材料和能源的使用效率，是一种环保高效、适合大众需求的高科技手段。3D打印技术不断刷新人们对传统制造业的认识，潜移默化地改变着人类的生产生活，通过不断的发展，3D打印技术将会更加多元化，更能够适应市场的需求，更多的智能化材料将逐步取代传统3D打印材料，3D打印设备将更加智能化和灵巧化，通过3D打印原料制备的成品精度也会有较大幅度的提高。
在当今社会，不断发展的3D打印技术正逐步与互联网、物联网、物流网等产业紧密融合。3D打印材料的发展促进了3D打印技术的进步，越来越能满足人们对生产生活的需求。通过这种新兴的生产方式，将会刷新人类社会的制造观念，彻底打破传统的制造格局，给人类社会的发展注入新鲜的血液。相信在不久的将来，3D打印材料将更加多元化，满足3D打印技术的发展和市场的需求。我国虽然在3D打印材料和打印技术领域起步较晚，但是通过科研单位和科研人员的聪明才智，我国在3D打印领域的发展会越来越好，更多的3D打印材料会贴上自主研发的标签，进一步促进我国3D打印市场的发展，让3D打印产品走进千家万户。
参考文献
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文章来源：新材料产业
作者：王维 （国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心）
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