基于生物材料的3D打印技术临床应用概况
时间：2023-08-16 15:16 来源： 临床工程资讯 作者：admin 阅读：次
3D打印技术
1.3D喷印技术（3DPI）
根据电流体动力学原理,使用特定的喷头,喷印流态材料，直接形成模型器件的技术。打印材料是液态，并且通过液滴的形式从喷头喷射出来。常用生物材料：羟基磷灰石、Alpha-TCP、β-TCP、PVA、PEG和PEG 水凝胶等。医学应用范围：蛋白质、核酸等生物分子的打印。
2.光固化成型技术（SLA）
原理和喷墨打印相类似，以液态光敏树脂为原料，通过紫外光扫描液态光敏树脂使其固化，层层叠加,形成所需的模型。常用生物材料：光敏树脂。医学应用范围：医疗模型的构建。
3. 熔融沉积成型技术(FDM)
基本原理是在计算机的控制下，将在喷头里已经加热融化的丝线状或粒状材料形成的熔体均匀喷洒出来，迅速冷切成型，塑形做成已经设计好的模型。常用生物材料：尼龙、PVA、聚碳酸酯等。医学应用范围：软骨组织、骨组织的再生、抗生素的递送和假肢等。
4.选择性激光烧结技术(SLS)
通过计算机的控制，对粉未材料进行激光加热、烧结、按照预先设定好的程序逐层累积形成所需的模型。常用生物材料：陶瓷、金属和聚酰胺等。医学应用范围：药物输送和组织工程。
5. 挤压成型生物打印技术（EBB）
工作原理类似传统意义上的3D打印技术FDM，将生物“墨水”（Bioink：模拟生物内在环境的材料，起支撑细胞的作用）利用机动或气动的方式产生压强，将“墨水”从针头挤出来。常用生物材料：胶原蛋白、透明质酸、海藻酸盐、PEG、明胶和壳聚糖等。医学应用范围：主动脉瓣、神经组织、肌肉组织、骨头和植入物等。
临床上用于3D打印的生物材料
1、天然聚合物
常用的天然聚合物是藻酸盐、明胶、胶原蛋白、壳聚糖和透明质酸等。具有良好的生物相容性，可以容纳液体，并且可以轻松溶解在不同的溶剂中，例如磷酸盐缓冲液和细胞培养溶液，从而使它们对组织更加友好。由于这些特性，可以以逐层的方式打印它，生成一个模型，如果放置在稳定的环境中，该模型将模仿自然器官。除此之外，当提供受控环境（例如常温、充足的水和适当的生长培养基）时，它们可以模仿细胞或组织，经历增殖、成熟和分化，并与周围组织结构相适应。
2、金属和合金
用干3D打印的金属粉未材料主要有不锈钢、钛合金、钴铬合金、钼钛合金、钴铬钼合金等，较成熟的3D金属打印技术主要有选区激光熔化、电子束选区熔化和激光近净成形等。金属多用于人体植入物、抗感染、癌症治疗、医学成像、药物输送、骨组织工程和生物传感器等方面，在满足人体安全性的前提下，还需满足抗腐蚀性、力学性能、生物功能性、生物相容性等要求，在生物医学领域具有广泛的发展前景。
3、光敏树脂
光敏树脂主要利用SLA技术合成，目前还存在很多问题。光敏树脂由光引、预聚物)单体及少量添加剂等组成。具有耐腐蚀、光洁度高、打印精度高、成型速度快、尺寸可调等优点。目前主要用于医学模型的铸造,便于临床手术和教学等。
4、 生物塑料
3D打印生物塑料主要有聚乳酸、聚(乙二醇)二丙烯酸酯和聚己内脂等。生物材料具有良好的生物可降解性、生物相容性，普遍用来打印生物工程支架,如心脏支架、骨支架等。
5、高分子凝胶
纤维素、蛋白胨、海藻酸钠、聚丙烯酸等都是高分子凝胶。高分子凝胶具有更好的生物相容性以及与人体软组织相仿的力学性能，用于生物工程支架时，能促进细胞黏附和生长,生物降解性好，也可用于药物的可控释放。
6、生物陶瓷材料
羟基磷灰石（HA）和磷酸钙（CaPs）、氧化锆和氧化铝均为生物陶瓷材料。3D打印多孔陶瓷有利于满足患者对轻量化、多功能材料的需求。其中HA与骨骼和牙齿的无机成分相似，具有良好的生物相容性、骨传导、骨诱导、可降解性。常用于骨缺损修复，是应用最广泛的人工骨替代材料。
生物材料3D打印在医学领域中的应用
近年来，医学方面的3D打印技术发展主要为：诊断与手术规划、个性化体外模型制造、个性化植入体制造、再生医学、个性化药物缓释装置和肿瘤治疗等。下面列举几个常用3D打印技术的科室：
1.牙科
在牙科中利用3D打印可以根据每位患者的需求和形态创建所需产品。例如，基于口内扫描数字化模型和光固化成型３Ｄ打印技术制作的树脂模型，用作齿科正畸、齿科种植与修复和义齿制作等。具有良好的生物相容性，合适的机械性能、可降解性及孔隙率的生物材料利用3D打印技术还可用作牙周组织再生。
2.心血管科
3D生物打印能够均匀分散细胞以匹配天然组织的密度，可以用来构建心脏组织。其中利用钙离子交联聚合物可以形成稳定的结构，其具有足够的机械强度，足以满足生物打印过程，研究发现3D打印的构建体支持内皮细胞和干细胞的增殖，从而形成具有机械性和生物性的可灌注血管。除上面所述，3D打印还可制作心脏贴片、心血管支架和冠状动脉等。
3.骨科
作为植入式医疗器械，骨科智能植入物在疾病的诊断和治疗中发挥着重要作用。目前最新研究发现，3D打印的智能骨科植入物可进行骨愈合评估、膝关节受力分析、脊柱融合监测、髋关节假体松动监测等功能。除此之外3D打印在骨科中最常见的应用是个体化定制植入、仿真模型重建、设计3D打印导板和骨科手术辅助材料的打印等。
4.眼科
3D打印技术凭借其独特的制造精密设备的能力，已经被用于制造眼球模型。3D打印的模型与Navarro的模型相比，在眼球前房深度和总轴长度的计算上显示出了更高的准确性。除此之外，利用3D打印定制化的人工晶体可以提供更好的视觉效果和舒适度。
5.其他
3D生物打印技术为构建三维组织器官模型提供了令人兴奋的前景，因为它使复杂活体组织的再生性、自动化生产成为可能。同时生物打印的组织器官模型对某些疾病的治疗、新型药物筛选或毒性预测也有很大的作用。3D打印技术可以帮助医疗模型的建立，例如各个器官以及肿瘤模型。除此之外，3D打印在妇科中可以构建宫颈癌模型，进行术前规划，显示肿瘤形状以及肿瘤与周围组织的解剖关系。
总 结
在大数据、信息化和智能化的背景下，生物材料3D打印具有个性化、精准化生物医学应用，越来越受到重视。生物材料3D打印研究已经在医疗与手术设计模型、手术导板、体外医疗器械，及非降解永久植入物等方面取得重要进展，并已经开展临床应用。但是，由于3D打印机的局限，目前合适的3D打印生物材料有限，质量也有待于进一步提高。因此，3D打印生物材料问题的解决才能助力生物材料3D打印技术的临床应用，从而造福人类。
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