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（作者：王晶，單位：國家增材制造創(chuàng)新中心）

近年來，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用發(fā)展迅速，為臨床醫(yī)學(xué)解決部分疑難病癥問題提供了創(chuàng)造性思路。目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)從醫(yī)學(xué)模型、導(dǎo)板、康復(fù)輔具和植入物，延伸到組織工程支架，甚至細(xì)胞、組織器官等領(lǐng)域。

在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)所用的醫(yī)用材料主要包括4類。一是對生物相容性要求較低的醫(yī)用材料。這類材料主要應(yīng)用于3D打印體外診斷與預(yù)測模型、導(dǎo)板、體外假肢或矯形輔具等，極大發(fā)揮了3D打印在個(gè)性化定制方面的優(yōu)勢，可使患者獲得更好的治療。二是滿足生物相容性，但不可降解的醫(yī)用材料。主要有鈦合金、鈷鉻合金和鉭合金等金屬材料，以及高分子材料等惰性材料，這類材料可被用作打印體內(nèi)植入物。目前，多家3D打印金屬植入物廠商產(chǎn)品已獲得上市許可證書，產(chǎn)品已應(yīng)用于臨床。三是生物相容性良好且可降解的醫(yī)學(xué)材料。主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榇蛴〗M織工程支架。這類材料打印出的植入物，不僅需要與生物體相容，還要具有降解性，且在一定時(shí)間內(nèi)可促進(jìn)體內(nèi)缺損組織的生長和愈合。四是活性細(xì)胞、蛋白質(zhì)及其他生物活性分子。使用該類材料的生物3D打印技術(shù)也被稱作細(xì)胞3D打印技術(shù)。細(xì)胞3D打印技術(shù)可以直接將細(xì)胞、蛋白質(zhì)及其他具有生物活性的材料（如DNA、生長因子等）作為3D打印的基本單元，以3D打印的方式，直接構(gòu)建組織或器官。

本文主要介紹醫(yī)用金屬、醫(yī)用聚合物、陶瓷基生物材料以及生物墨水（水凝膠類）等材料在3D打印醫(yī)學(xué)中的研究應(yīng)用及發(fā)展。

醫(yī)用金屬材料

常見的3D打印醫(yī)用金屬材料有不銹鋼鈦合金、鈷鉻合金和鉭合金等，一般用于制備植入物，目前主要集中在制作個(gè)性化骨植入物、支撐性支架等。這些金屬材料具有良好的生物相容性，可以滿足當(dāng)前大部分醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

最常見的金屬材料3D打印方法是粉末床熔融，目前主要使用激光和電子束的高能量源選擇性區(qū)域熔融金屬粉末。

醫(yī)用聚合物材料

3D打印醫(yī)用聚合物材料主要應(yīng)用于醫(yī)療模型與手術(shù)導(dǎo)板等的制作，少部分材料可作為生物可降解組織工程支架和生物墨水的基質(zhì)，這類材料包括聚乳酸（PLA）、聚己內(nèi)酯（PCL）、蛋白質(zhì)、多糖以及水凝膠（具有高含水量的親水性或雙親性聚合物三維網(wǎng)絡(luò)）等聚合物。

醫(yī)用聚合物打印材料具有非常優(yōu)異的加工性能，可適用于多種打印技術(shù)，因此成為主要的醫(yī)學(xué)3D打印材料之一。

陶瓷基生物材料

醫(yī)用活性陶瓷能夠模擬自然骨的礦物相、結(jié)構(gòu)以及機(jī)械性能，是理想的仿生骨修復(fù)材料，因此得到研究機(jī)構(gòu)的高度重視并獲大力發(fā)展，但其在韌性等方面仍存在不足。

羥基磷灰石粉末礦物相中含有大量磷酸鈣，被廣泛應(yīng)用于陶瓷3D打印研究中。與金屬、聚合物材料相比，醫(yī)用生物陶瓷材料的應(yīng)用相對較少，3D打印生物陶瓷的性能與實(shí)際的應(yīng)用需求有一定差距，限制了其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

生物墨水

醫(yī)用水凝膠、生物交聯(lián)劑和活細(xì)胞共同組成了生物3D打印所需的“生物墨水”。目前，雖然已經(jīng)有研究人員將3D打印技術(shù)與生物墨水相結(jié)合，打印出人體耳廓、腎臟、心臟等活體組織，但如何保持細(xì)胞活性，以及如何維系組織功能等問題仍有待解決。無論是天然生物墨水還是合成生物墨水，生物3D打印技術(shù)對墨水材料黏度、強(qiáng)度和生物相容性等要求嚴(yán)格。

目前，已有研究將細(xì)胞與3D打印生物支架共同培養(yǎng)。研究結(jié)果表明，細(xì)胞能夠在多種三維支架上存活，并且比普通二維培養(yǎng)的效果要好。多項(xiàng)研究也已打印出皮膚、角膜、軟骨、心臟、肺部、肝臟、腎臟、骨頭和血管等組織器官。例如，2019年以色列特拉維夫大學(xué)的科學(xué)家在全球首次成功利用生物3D打印技術(shù)，制造出一顆充滿細(xì)胞、血管并有心室和心房的完整心臟。雖然這一人工心臟只有兔子心臟大小，但科學(xué)家將沿著這一突破性成果繼續(xù)深入研究，研發(fā)出適合臨床移植的人造心臟指日可待。2019年，《科學(xué)》雜志封面刊登了一項(xiàng)舉世矚目的研究成果：一個(gè)由水凝膠3D打印而成的肺模型，它具有與人體血管、氣管結(jié)構(gòu)相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠像肺部一樣向周圍血管輸送氧氣，完成“呼吸”過程。

生物3D打印的應(yīng)用面臨諸多限制及難點(diǎn)，但生物3D打印的組織器官應(yīng)用價(jià)值巨大，特別是在臨床研究階段的藥物開發(fā)和療法測試等方面，可有效地降低研發(fā)成本。

經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，現(xiàn)階段的醫(yī)用3D打印技術(shù)已經(jīng)取得長足進(jìn)步，在器官模型、導(dǎo)板、輔具和植入物等方面的應(yīng)用日趨成熟。盡管3D打印組織、器官仍處于結(jié)構(gòu)性階段，但從生物醫(yī)學(xué)臨床需求的角度與生物醫(yī)用3D打印及其材料發(fā)展的角度而言，組織功能性器官的打印將是醫(yī)用3D打印未來的主要發(fā)展趨勢。

進(jìn)一步研究適用于不同醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的高性能材料，大力推動我國醫(yī)用3D打印技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展，需在政策引導(dǎo)、市場監(jiān)管，以及資金支持等前提下，建立完善的醫(yī)用材料打印制造標(biāo)準(zhǔn)和工藝規(guī)范，并加強(qiáng)專業(yè)人才的培養(yǎng)。