浅谈3D打印生物陶瓷材料的发展趋势

张 晨 刘津瑞 梁 虹

(闽江学院，福建 福州 350108)

1 3D打印技术概述

3D打印(Three Dimentional Pinting)又称增材制造(Additive Manufacturing)技术即快速成型技术的一种 ，是一种以数字模型文件为基础，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、电子束、加热头、光固化等方法将粉末状金属、塑料等可粘合材料或细胞、组织等特殊材料，通过逐层打印的方式来构造出物体的技术。

3D打印是相对于传统机加工等减材制造技术来说的，这类制造工艺不仅不需要借助刀具，就能完成高精度复杂结构的制作，而且极大地缩短产品的研制周期，简化操作流程。凭借高效节能、节时的优势，3D打印已经突破了人们熟悉的传统减材制造的限制，为生物医药、航空航天、建筑设计、文物修复、食品工业等领域的创新提供舞台。

2 3D打印技术发展现状

2.1 3D打印基本流程

2.1.1 建模

3D建模通俗来讲，就是利用三维制作软件在虚拟三维空间内构建出具有三维数据的模型。目前，建模途径有很多种，例如，直接从网上下载模型、通过3D扫描仪逆向工程建模，通过3DMax, Maya, CAD(Computer Aided Design)等软件建模。

2.1.2 切片处理

首先，将设计成功的3D模型切成片层，并设计好打印的路径(填充密度、角度、外壳等)。其次，切片文件以.gcode格式储存，即一种3D打印机能直接读取并使用的文件格式。然后，再通过3D打印机控制软件，把.gcode文件发送给打印机，并控制3D打印机的参数，运动使其完成打印。

2.1.3 开始打印

启动3D打印机，通过数据线、SD卡等方式把Gcode格式的打印文件传送给3D打印机，同时，装入3D打印材料，调试打印平台，设定打印参数，然后打印机开始工作，材料逐层打印，层与层之间通过特殊的胶水进行粘合，最终一个完整的3D模型就会呈现在人们眼前。

2.2 常见打印工艺

目前，为了满足不同打印材料的需求，已经研究出多种3D打印技术，比如，光固化成型技术、电子束选区融化技术、熔融沉积成型技术、选择性激光烧结技术、分层实体制造技术等，下面对其主要工艺原理及特点进行介绍。

2.2.1 光固化成型技术

光固化成型技术(Stereo Lithigraphy Apparatus，SLA )最早由美国的3D Systerm公司的创始人Clales Hull于20世纪80年代创立并应用于商品化。作为发展较早的3D打印技术之一，光固化快速成型技术目前已较为成熟，且获得广泛的应用。其基本原理是以光敏树脂为材料，通过紫外光照射，选择性地让需要成型的液态光敏树脂发生聚合反应并变硬，逐层固化、堆积成形。其工艺路线为:(1)通过CAD软件来设计出三维实体模型；(2)利用离散程序将模型切片处理；(3)设计扫描路径；(4)激光光束通过扫描路径照射到液态光敏树脂表面；(5)形成树脂固化层，成为该模型的一个截面；(6)升降台下降一个层厚，并对零位液面进行涂覆；(7)重复以上三个步骤，直至所有层面加工完毕，获得三维模型。

SLA技术对于层厚控制的精度更高，成品表面质量好，而且激光照射点位移速度快，足够灵活，成型速度快，制造效率高。适用于生产一些结构较为复杂的部件。但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会引起形变。因此，提高光敏材料本身的收缩率，改善力学性能是其发展趋势。

2.2.2 电子束选区融化技术

电子束选区融化技术(Selective Electron Beam Melting，SEBM)是20世纪90年代中后期发展起来的一种粉末床熔融型3D打印技术，该项打印技术需要在特定的真空环境下进行。其工艺路线为：(1)将设计好的三维模型进行分层处理，得到二维切面；(2)打印机根据设定的程序，在粉末床上方不断地将金属粉末进行铺开扫描；(3)以电子束作为打印过程中的热源，对铺好在工作台上的粉末层进行熔化和固定；(4)一层加工完成后，工作台下降一个层厚的高度，再进行新一层铺粉和熔化，直至零件加工完后从真空箱中取出；(5)利用高压空气除去表面粉尘，获得三维模型[1]。

电子束选区融化技术能够用于制造一些结构复杂、性能优良的金属部件，但由于特殊的制造环境，使得成形部件尺寸受到束缚。

2.2.3 熔融沉积成型技术

熔融沉积成型技术(Fused Deposition Modeling，FDM)是由美国学者 Dr. Scott Crump 于 1988 年研发出的一种3D打印技术。FDM打印技术基本原理是将热熔性材料(石蜡、金属、塑料、低熔点合金)融化后送入喷口，通过挤压的方式将半流动材料打印至二维平面，待固化之后逐层堆积，完成三维模型打印。其工艺路线为：(1)设计三维模型结构；(2)对模型逐层分析并设置扫描路径；(3)将热熔性材料送至喷口；(4)通过设定的计算机程序加热材料并进行涂覆；(5)冷却后形成一层截面，喷口上移一个层厚；(6)重复以上步骤，逐层堆积，获得三维模型。

熔融沉积成型技术由于污染小，回收利用性强，多用于制造小、中型结构简单部件，同时也存在打印时间长、精度差、无法打印复杂结构等问题。

2.2.4 选择性激光烧结技术

选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering，SLS)由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。该项技术基本原理是控制激光束选择性的扫描烧结每一层截面的粉末，使形成的固化层逐层堆积，最终变为模型。其工艺路线为：(1)利用CAD创建三维模型；(2)对切片进行分析；(3)在设定的制造参数下，激光束有选择的烧结粉末；(4)形成原型截面层；(5)工作台下降一个层厚，激光束再次扫描烧结新层；(6)逐层叠加后，在成型缸中缓慢冷却，获得三维模型。

选择性激光烧结技术优点是使用的原材料相当广泛，任何加热后拥有粘结性的粉末材料都可以作为成型材料。除此之外，凭借适用性广、制造工艺简单、成形精度高、无需支撑结构、可直接烧结金属零件等诸多优点，成为当前发展最快、最为成功的快速成形技术之一，在现代制造业得到越来越广泛的重视。

2.2.5 分层实体制造技术

分层实体制造技术(Laminated Object Manufacturing，LOM)的基本原理是，原料以纸张厚度的薄片材料为主(例如，纸、金属箔、塑料膜)，通过热熔胶将每层原材料黏附在一起，在打印过程中根据设定程序对每一层截面进行切割，最终形成原型部件。其工艺路线为：(1)构造产品三维模型；(2)分层处理；(3)基底制作；(4)利用激光在每一层纸张截面切割相应轮廓；(5)送料机将新一层纸与切割层一起黏附；(6)逐层切割，获得三维模型。

分层实体制造技术拥有成本低廉，工艺简单，成型快速，支撑性强的特点，而且在切割过程中不存在形变的问题。

3 用于3D打印的生物陶瓷材料

生物陶瓷材料(Bioceramics)是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料，即直接用于人体或与人体相关的生物、医用、生物化学等陶瓷材料。目前，以羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)、β- 磷酸三钙(Tricalciumphosphate，TCP)和生物活性玻璃为代表的生物陶瓷材料应用最广泛。由于生物陶瓷材料具有良好的生物活性，同时与生物体组织结构和化学组成之间相似，使其在生物医学工程领域具有巨大发展潜力。

3.1 羟基磷灰石(HA)

羟基磷灰石是人体和动物骨骼中不可缺少的无机成分，在天然骨中含量高达60%，而在牙齿中高达90%。羟基磷灰石生物陶瓷材料对成骨细胞的增殖影响显著，具有成骨诱导效应。而且其具有良好的生物相容性和骨传导性，植入体内安全、无毒，是一种治疗骨损伤和替代齿骨方面的优良材料。

3.2 β-磷酸三钙(β-TCP)

TCP分为高温的α-TCP相和低温的β-TCP相。β-TCP在体内通过降解释放出大量的Ca和P来诱导新骨的形成。β-TCP 生物相容性好，植入机体后可与骨直接融合，无任何局部炎性反应及全身毒副作用。除此之外，β-TCP利用3D打印技术搭配其他药物制备骨组织工程支架，能够促进成骨细胞的增殖，增强骨传导性和骨组织的修复能力。Zhou等在3D打印的β-TCP颌骨修复支架的研究中发现，β-TCP三维打印支架具有规则的多孔结构，适合细胞的黏附，新骨形成量高，而且在复合rhBMP-2后可异位成骨[2]。

3.3 生物活性玻璃

生物活性玻璃(bioglass, BG)，是由L.Hench在1971年研制出的一种Na-Ca-Si系玻璃，该种玻璃植入人体后，能与生物环境发生一系列特殊的表面反应，使材料与自然组织形成牢固的化学键，进而具有生物活性。其中具有代表性的生物活性玻璃是45S5生物活性玻璃和S53P4生物活性玻璃。另外，随着研究的发现，其他无极非晶态结构的生物活性玻璃，因与软组织形成很好的结合，并可促进软组织的再生，也被认为是一种优异的骨、齿类修复材料。通过3D打印技术制备的介孔生物活性玻璃，其形态更加灵活，尺寸更精准。在搭配抗菌因子使用后，不仅具有诱导成骨的能力，而且可以修复和替代感染或受损的骨组织[3]。

4 3D打印生物陶瓷材料的应用领域

4.1 口腔医学

近年来，随着3D打印技术的研究，在口腔医学领域展开了全面发展，目前主要应用于口腔内牙齿或牙冠修复体、口腔内种植体及口腔内矫正体。运用3D打印生物陶瓷材料原位打印的口腔内模型，能够避免细菌感染，解决无法完全填充缺损区的问题，而且应用于齿类的支架，精度可以达到微米级。除此之外，植入口腔内的三维模型与口腔内骨骼展现出良好相容性，增强成骨细胞增殖分化，为骨细胞的快速形成提供支撑。

4.2 组织再生

3D打印技术促进组织再生，途径分为两种：一是利用3D打印生物支架收集宿主干细胞，在植入人体后，宿主干细胞分化变为成熟细胞，重新填充可降解支架，最终通过沉积形式产生新的细胞外基质；二是生物支架上负载各种细胞因子和化学物质，通过释放来促进宿主细胞的增殖分化。目前，应用最广泛的组织再生工程包括：组织气管再生、神经组织修复、皮肤表皮组织修复、各器官组织修复等，展现出良好的临床表现。

4.3 骨修复

目前，3D打印在骨骼修复方面的研究最为深入，取得成果也最为显著。首先，3D打印的生物陶瓷以具有良好的生物力学性能和生物相容性的优势，在骨修复、骨骼生长等多方面发挥巨大作用。其次，为骨科手术辅助材料进行3D打印，有利于通过打印模型观察形变骨骼形态结构及异常生长状况，为制定手术方案提供参考。Geng等利用3D打印多孔HA支架用于修复兔颅骨缺损，结果表明，3D打印支架内部空间逐渐被新生骨代替，新生骨和骨小梁结构样组织填充在缺损区域内。而且支架能够复合骨髓间充质干细胞和脐静脉内皮细胞，进而有效促进骨组织的生长，加快骨缺损修复[4]。

4.4 药物缓释载体

缓释给药系统是指药物在体内以非恒速地从制剂中不间断释放，延长药物在体内停留时间，从而更好发挥药效作用，减少药物不良反应的一类给药系统。3D打印的生物陶瓷材料作为植入体内的药物缓释载体，通过控制表面微观结构和材料属性，使载体以不同程度的降解速度实现持续高效给药，而且改变了传统口服缓释片剂无法直接对病源给药的问题。除此之外，3D打印的药物缓释载体在维持体内药物浓度平衡，避免全身用药导致的药物毒性起到关键作用。Zheng等研究3D打印β-TCP负载PLGA抗结核药物缓释微球复合材料进行表征测试，利用PCR测定骨钙素(osteocalcin, OCN)和骨涎蛋白(bone sialoprotein, BSP)的表达，结果表明随培养时间延长，3D打印β-TCP复合材料的OCN和BSP基因相对表达量均呈逐渐增加趋势，且对SD大鼠的BMSCs无明显细胞毒性[5]。

5 未来展望

3D打印生物陶瓷材料在医学工程领域已经被广泛关注。目前，3D打印在多数骨缺损的临床应用中展现出良好的医疗效果，但在颌面修复、口腔病治疗、种植牙维护等领域的应用方面仍存在困难。而且针对支架与活细胞和生长因子或生物聚合物的集成打印，以及在制造过程中的纳米尺度控制仍需大量深入研究。希望未来通过多学科交叉应用，克服3D打印材料固有的力学缺陷，创造新型打印工艺，使3D打印这项技术在口腔医疗、再生医学、骨骼医学、缓释载体方面发挥更大作用，产生更大的实际价值。