3D打印材料在现代医学中的应用

　　近年来，3D打印技术在医学领域的研究与应用取得了巨大的发展，这项技术的出现为解决临床医学中面临的疑难病症提供了创造性思路；目前3D打印技术主要从医学模型、导板、康复辅具和植入物，延伸到了组织工程支架，甚至细胞、组织器官等领域。

　　根据所用医用材料的特性，3D打印技术在现代医学领域的研究与应用大体分为4个层次。①生物相容性要求较低的医用材料，例如应用于3D打印体外诊断与预测模型、导板、3D打印体外假肢或矫形辅具等，该领域的应用极大地发挥了3D打印在个性化定制方面的优势，可使病人得到更好的治疗。②满足生物相容性，但非降解医用材料，此类打印产品可以作为体内植入物，目前应用材料主要有钛合金、钴铬合金和钽合金等金属材料，也可以是高分子等惰性材料等，其中多家3D打印金属植入物厂商已获得多个上市许可证书，产品已应用于临床。③良好生物相容性且可降解的医学材料，主要的应用领域为打印组织工程支架。其要求打印的植入物不仅能与生物体相容，还要具有降解特性，在体内一定时间促进体内缺损组织的生长和愈合。④活性细胞、蛋白及其他生物活性分子，该层次的生物3D打印技术也被称作细胞3D打印技术。细胞3D打印技术可以直接将细胞、蛋白及其他具有生物活性的材料（例如蛋白质，DNA，生长因子等）作为3D打印的基本单元，以3D打印的方式，直接构建组织或器官。

　　本文主要介绍医用金属、医用聚合物、陶瓷基以及生物墨水（水凝胶类）等材料在3D打印医学中的研究应用及发展。

　　医用金属材料

　　3D打印医用金属材料常见的有不锈钢，钛合金，钴铬合金和钽合金等，一般用于制备植入物，目前主要集中在个性化骨植入物、支撑性支架等。这些金属材料具有良好的生物相容性，可以满足医学应用。

　　金属材料最常见的打印方法是粉末床熔融，目前主要使用激光和电子束的高能量源选择性区域熔融金属粉末。

　　医用聚合物材料

　　3D打印医用聚合物材料主要应用于医疗模型与手术导板等，少部分材料可作为生物可降解组织工程支架和生物墨水的基质，这类材料有聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）、蛋白质、多糖以及水凝胶（具有高水含量的亲水性或双亲性聚合物三维网络）等聚合物。

可用于患者康复治疗的个性化手臂康复辅具。

　　医用高分子打印材料具有非常优异的加工性能，可适用于多种打印技术，使得其成为生物3D打印材料中的主要材料之一。

　　陶瓷基生物材料

　　医用活性陶瓷能够模拟自然骨的矿物相、结构以及机械性能，是理想的仿生骨修复材料。由此得到各国研究者的高度重视并获得大力发展，但在韧性等方面仍存在不足。

　　羟基磷灰石义眼台由于其成分与人体无机成分相似，术后不易引起并发症，应用于眼球摘除或眼内容剜出术后预防和矫正眼眶畸形。

羟基磷灰石义眼台

　　羟基磷灰石粉末矿物相中磷酸钙的大量存在，被广泛应用于陶瓷3D打印研究中。然而与金属、聚合物相比，医用生物陶瓷材料的应用略微逊色，3D打印生物陶瓷的性能与实际的应用需求有一定差距，限制了产业化发展。

　　生物墨水

　　虽然，目前已经有研究人员利用3D打印技术和生物墨水打印出人体耳廓、肾脏甚至是心脏等活体组织，但仍面临细胞活性保持以及组织功能性维系等困难。医用水凝胶、生物交联剂和活细胞共同组成了生物3D打印所需的“生物墨水”。无论是天然生物墨水还是合成生物墨水，其墨水材料在粘度、强度和生物相容性等方面有严格的要求。

　　目前，已有实验将细胞与3D打印的生物支架共同培养，实验结果也表明细胞能够在多种三维支架上存活，并且比普通二维培养的效果要好。多方报道已经可以打印出皮肤、角膜、软骨、心脏、肺部、肝脏、肾脏、骨头和血管等组织器官。例如2019年以色列特拉维夫大学的科学家利用3D打印技术，造出一颗mini版“心脏”，其具有细胞、血管、心室和心房，虽然这一人工心脏很小，只有兔子心脏的大小，但是科学家们希望沿着这一突破，未来有一天能够研发出适合临床移植的“人造心脏”，以及能够契合、修复有缺陷心脏的“补丁”。

　　2019年《科学》杂志封面刊登了美国研究团队成果一个由水凝胶3D打印而成的肺模型,它具有与人体血管、气管结构相同的网络结构,能够像肺部一样朝周围的血管输送氧气，完成“呼吸”过程。

　　生物医用3D打印的应用面临诸多限制及难点，但生物3D打印的组织器官仍有重要的应用价值，特别在临床研究阶段的药物开发和疗法测试等方面，可有效地降低研发成本。

　　现阶段医用3D打印技术经过近几十年的发展已经取得长足的进步，由其在器官模型、导板、辅具和植入物等的应用日趋成熟。尽管，3D打印组织、器官仍处于结构性阶段，但从生物医学临床需求的角度与生物医用3D打印及其材料发展的角度而言，组织功能性器官的打印将是未来生物医用3D打印的发展趋势。

　　为进一步研究适用于不同医学应用领域的高性能材料，推动我国医用3D打印技术的大力发展，我们需在政策引导、市场监管以及资金支持等前提下，建立完善的医用材料打印制造标准和工艺规范，加强专业人才的培养。（作者单位：西安增材制造国家研究院有限公司）