生物医用材料与3D打印技术的完美结合

陈贤明 陆国英 杭州新亚齿科材料有限公司 （杭州 310000）

0.引言

3D 打印技术作为新生事物，被誉为“第三次工业革命的重要标志之一”[1]。该技术是一项具有工业革命意义的高新制造技术，代表了世界制造业发展的新趋势，它使产品从设计到制造之间仅隔“打印”按钮的距离。2012 年8 月，美国总统奥巴马拨款3000 万美元，在俄亥俄州建立了国家级3D 打印研究中心，启动了“重振美国制造业计划”。很多专家媒体也乐观地认为：3D 打印产业将成为下一个具有宽广前景的朝阳产业。

1.3D打印的发展史

1.1 第一代：立体光固化成型打印机

立体光固化成型SLA（stereo lithography appearance），即用特定波长与强度的激光聚焦到液态的光固化材料表面，使之由点到线，由线到面的顺序凝固，完成一个层面的绘图作业。然后再移动光波至另一个层面，层层叠加构成一个三维实体。

1986 年，该项技术的发明人创立3D Systems公司，并推出了第一台SLA 商用3D 打印机。

1.2 第二代：熔融沉积成型打印机

熔融沉积成型FDM (Fused Deposition Modeling)工艺是通过将丝状材料，如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。每完成一层，工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层，如此反复最终实现零件的沉积成型。FDM 工艺的关键是保持半流动成型材料的温度刚好在熔点之上(比熔点高1˚C 左右)。其每一层片的厚度由挤出丝的直径决定，通常是0.25～0.50mm。

FDM 技术由Stratasys 公司的创始人与1989年发明，它的优点是材料利用率高，材料成本低，可选材料种类多，工艺简洁。缺点是精度低，复杂构件不易制造，悬臂件需加支撑，表面质量差。该工艺适合于产品的概念建模及形状和功能测试，中等复杂程度的中小原型，不适合制造大型零件。

1.3 选择性激光烧结打印机

选择性激光烧结法SLS（Se1ected Laser Sintering），采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到一烧结好的零件[2]。

至1992 年，DTM 公司售出第一台SLS 打印机以来，该项技术并没有占领太大的市场，主要由于SLS 有很多缺陷，比如在成型的过程中因为是把粉末烧结，所以工作中会有很多的粉状物体污染办公空间。另外，产品存储时间过长后会因为内应力释放而变形。对容易发生变形的地方设计支撑，表面质量一般。生产效率较高，运营成本较高，设备费用较贵，能耗通常在8000瓦以上。

1.4 三维喷墨打印

三维喷墨打印是通过将液态连结体铺放在粉末薄层上， 以打印横截面数据的方式逐层创建各部件，创建三维实体模型。采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩，还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上，模型样品所传递的信息较大。 三维喷墨打印的材料主要是一些高性能复合材料（高强打印粉）。

1993 年，麻省理工学院开发了在三维空间里的喷墨打印技术，开创了三维喷墨的新时代。获得MIT 独家授权的Z.corp.公司在95 年开发了第一台高清彩色喷墨三维打印机。至2012 年，由Stratasys 公司开发的世界上最大的3D 喷墨打印机已经可以打印1×0.8×0.5m 大小的物体。

目前，三维喷墨打印机是市场上精度最高，成型效果最好的高端打印设备。

2.3D打印在生物医学上的应用

3D 打印在生物医学上的应用主要体现在医学模型快速建造、组织器官代替品制作、脸部修饰与美容等三方面。

2.1 医学模型快速建造

医学道具、模型、用品等材料可通过3D 打印获得[3,4]。利用3D 打印技术，可将计算机影像数据信息形成实体结构，用于医学教学和手术模拟。

传统医学教学模型制作方法时间长, 且搬运过程容易损坏, 使用3D 打印技术, 可有效减少制作时间，根据需要随时制作，并降低搬运损坏的风险。据报道, 美国某医院在所实施的头颅分离手术前，先使用3D 打印机造出了婴儿连体头颅模型，并对手术方案进行充分的研究分析。他们将往常同类型手术72 小时缩短到了22 小时。

目前，3D 打印医学模型已获得较好的技术支持，具备一定的打印速度，能使用多种材质进行打印，应用程度高，有着很好的应用前景。

2.2 组织器官代替品制作

人体组织器官代替物的材料要求很高，实现难度大。但目前已有一些成功案例，比如复制人体骨骼, 制作义肢等[5]。比如，人体某块骨骼缺失或损坏需要置换，首先可扫描对称的骨骼，形成计算机图形并做对称变换，再打印制作出相应骨骼。与传统方法相比，该技术不需要先制作模具，可直接打印，建造速度较快。

这项技术可应用于牙种植、骨骼移植等[6,7]。与此同时，微型人体肝脏也已被成功制造。德国研究人员利用3D 打印机等相关技术，制作出柔韧的人造血管，并能使血管与人体融合，并同时解决了血管免遭人体排斥的问题。

该技术的不断进步和应用的深人将有助于解决当前和今后人造器官短缺所面临的困难。

2.3 脸部修饰与美容

利用3D 打印技术制作脸部损伤组织，如耳、鼻、皮肤、牙齿等[8,9]，可以得到与患者精确匹配的相应组织，为患者重新塑造头部完整形象，达到美观效果。首先扫描脸部建立起3D 计算机数据；医生可以制作出患者所缺少的部位，重现原来面貌。比起传统技术，该方法更精确，材质选择更加多样化。据报道，一位左半边脸上长着肿瘤的患者，在做了切除手术后脸上留下了一个大洞。医生利用3D 打印技术为患者制作了一张假脸。制作中，首先全面扫描患者头骨及面部，根据所得的结果分析并建立起原来的面部三维图像，再打印输出实物，通过使用特殊的材质，再打印制作出与面部完美贴合并且栩栩如生的假脸。

3.结束语

3D 打印技术在医疗器械制造领域中仍然是一种新型技术，仍然存在着诸多的挑战：

（1）3D 打印工艺技术在骨科植入物中应用还不成熟，即使最为成熟的EBM 技术中电子束与粉末之间的相互作用、变形及残余应力控制、表面粗糙度、内部结构缺陷的控制等关键技术问题和稳定性仍然需要提高。

（2）“打印材料”研发是发展的难点，现在骨科器械领域常用的金属材料为钛合金粉末，由于受到材料的粒度分布、松装密度、氧含量、流动性等性能的影响，其他的金属材料和高分子材料的打印技术仍然处在试验阶段，对于具有活性的打印材料，如何维持细胞的活性及其功能的研究还是瓶颈技术。

（3）精度和效率都有待进一步的提高。3D 打印的精度受到设备能力、打印材料性能、打印工艺水平等多方面限制，目前国内3D 打印还难以实现高精度零部件直接成型，仍需要后期其他加工工艺的补充与配合，进一步提高精度和效率尤为关键。

（4）多种不同特性和不同功能材料的复合打印技术有待突破，特别是在骨科器械领域需求尤为明显，例如金属与陶瓷的复合打印、金属或陶瓷与高分子材料的复合打印，软硬组织的复合打印，不同功能的活性组织在细胞级别的打印等。

（5）成本投入高。3D 打印设备价格昂贵，打印材料来源单一、工艺技术引进难度大、效率和精度较低，日常维护费用高等多因素都导致了现阶段的高投入和低产出，形成产业链的发展和得到项目的专项扶持迫在眉睫。

但随着3D 打印技术所支持材质的增多，打印质量的精细化，其应用水平亦将得到进一步提高，一定会有更加广阔的天地。

[1] Aaron Council, Michael Petch.3D Printing: Rise of the Third Industrial Revolution[M].Gyges 3D Presents , 2014 : 1-5.

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[4] 朱明，柴岗，李青峰.3-D 打印技术在下颌前突畸形治疗中的应用. Chinese Journal of Reparative and Reconstructive Surgery, 2014, 28(3):296-299

[5] 陈扬，蓝涛，钱文斌. 3D 打印技术在修复骨缺损中的应用研究 [J]. 生物骨科材料与临床研究，2014，2（11）：29-34.

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