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3D打印技術(shù)在醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用進展

嘉峪檢測網(wǎng)        2022-03-29 14:52

當(dāng)前3D打印技術(shù)(又稱快速成型技術(shù))正以前所未有的速度迅猛發(fā)展。3D打印技術(shù)包括熔融層積成型(FDM)技術(shù)、光固化(SLA)成型技術(shù)、3D噴?。?DPI)技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)等。

 

在打印技術(shù)不斷成熟的過程中,打印材料的局限性致使其無法滿足醫(yī)療領(lǐng)域的苛刻要求,從而阻礙了3D打印技術(shù)更廣泛地應(yīng)用于臨床實踐。為突破打印材料的瓶頸,研究者們開展了許多相關(guān)的基礎(chǔ)研究,近年來取得較大突破,不斷有新材料應(yīng)用于醫(yī)學(xué)打印。

 

本文將從樹脂、橡膠、陶瓷、凝膠、金屬等3D打印用生物材料入手,就3D打印技術(shù)在骨骼、假肢、假牙、皮膚、血管、 支架、植入假體、腫瘤模型打印與制作等方面的應(yīng)用進展予以綜述。常見的3D 打印生物材料主要有金屬、工程塑料、光敏樹脂、生物塑料、高分子凝膠等。

 

1、金屬

 

用于3D打印的金屬粉末材料主要有不銹鋼、鈦合金、鈷鉻合金、 鉬鈦合金、鈷鉻鉬合金等等。金屬多用于人體植入物,在滿足人體安全性的前提下,還需滿足抗腐蝕性、力學(xué)性能、生物功能性、生物相容性等要求。

 

2、工程塑料 

 

工業(yè)上應(yīng)用的工程塑料非常多。醫(yī)用3D打印工程塑料主要有聚酰胺(PA)、聚醚醚酮(PEEK)、丙烯腈‐丁二烯‐苯乙烯共聚物(ABS)等。由于良好的強度、耐候性和熱穩(wěn)定性,工程塑料在假肢假牙制作方面的應(yīng)用廣泛。聚醚醚酮PEEK因具有良好的生物相容性而成為理想的人工骨替換材料。

 

3、光敏樹脂 

 

光敏樹脂主要利用SLA技術(shù)合成,目前還存在很多問題。光敏樹脂由光引(Photoinitiator)、預(yù)聚物 (Prepolymer) 、單體(Monomer)及少量添加劑(Additive)等組成。目前主要用于醫(yī)學(xué)模型的鑄造,便于臨床手術(shù)模型規(guī)劃和病理教學(xué)等。

 

4、生物塑料 

 

3D打印生物塑料主要有聚乳酸(PLA)、乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)、聚乙酸內(nèi)脂(PCL)、羥基乙酸淀粉鈉(Sodium Starch Glycolate)、羥基丁酸酯-羥基戊酸酯共聚物(PHBV)、聚對二氧環(huán)己酮(PPDO)等生物材料具有良好的生物可降解性、生物相容性,普遍用來打印生物工程支架,如心臟支架、骨支架等。 

 

5、高分子凝膠

 

明膠(Gelatine)、藻朊酸鹽(Alginate)、纖維蛋白(Fibrin)、膠原(Collagen)、瓊脂(Agar)、聚氨基葡萄糖(Chitosan)、絲素蛋白(Silk fibroin)等都是高分子凝膠。比起生物塑料,高分子凝膠具有更好的生物相容性以及與人體軟組織相仿的力學(xué)性能。用于生物工程支架時,能促進細胞黏附和生長,生物降解性好,可用于藥物的可控釋放。此外,還有一些目前應(yīng)用比較少的材料,如食品材料中的糖、人造骨粉等。目前發(fā)展中的一種生物打印技術(shù)可以直接攜帶細胞打印,即以細胞作為打印原料。3D打印機還可以攜帶藥物原料打印,以實現(xiàn)藥物的可控或緩控釋放。

 

3D打印應(yīng)用與材料選擇

 

3D打印在臨床上的應(yīng)用基本可以分為生物打印和非生物打印。生物打印是有生物活性組織或器官的打印,非生物打印是只實現(xiàn)外觀、功能的打印。兩者大的區(qū)別就是生物打印有細胞的參與,能實現(xiàn)更高級的甚至貼近人體正常組織器官的生命活動,是3D打印臨床應(yīng)用的終目標(biāo)。由于技術(shù)與原材料的限制,目前國內(nèi)大部分的3D打印應(yīng)用于臨床實踐還僅限于非生物打印產(chǎn)品。下面則介紹幾個常見的應(yīng)用與材料選擇:

 

3D醫(yī)學(xué)模型

 

醫(yī)學(xué)模型在基礎(chǔ)臨床教學(xué)和手術(shù)模擬中有著很廣泛的應(yīng)用。人體的任何一個組織或器官,都可以3D打印出醫(yī)學(xué)模型。使用的打印材料有樹脂、 石膏、工程塑料等,對材料要求不高。例如,泌尿外科使用樹脂材料(類似于塑料)打印腎臟模型,正常腎組織用清晰透明樹脂打印, 腫瘤用紅色或黑色樹脂打印。神經(jīng)外科等用丙烯腈‐丁二烯‐苯乙烯共聚物打印腦動脈瘤,做成硅膠管的空心動脈瘤模型??谇豢频扔煤铣蓸渲ň埘0纺猃垼┖蜔o機填料(玻璃珠)組成的粉末材料打印顳骨,用于手術(shù)基礎(chǔ)技能訓(xùn)練。

 

口腔種植體 

 

目前口腔種植用 3D打印材料品種有限,常用的有光固化樹脂材料和金屬鈦粉等,樹脂材料需要與氧化鋁、氧化鋯、生物陶瓷粉等骨質(zhì)打印材料一起加工用于打印口腔種植體。個性化定制、打印材料單一是3D打印假牙的特色,但美中不足的是用于支持3D打印的生物材料相對較少,且存在一定的安全隱患。

 

假肢假體

 

傳統(tǒng)假肢,一種是廉價但僅有裝飾作用,另一種是能實現(xiàn)基本動作卻昂貴的“肌電假肢”。而 3D打印技術(shù)能打印出既有功能成本又相對價錢較低的假肢。假肢材料的選擇需要考慮一定的韌性和耐用性,目前用于打印假肢的原材料主要有工程塑膠、樹脂粉末等。國內(nèi)打印假肢的報道比較少,打印的假體較為簡單粗糙。國外則起步較早,發(fā)展速度快,兩位科學(xué)家用ABS塑膠打印了 一個胳膊MREX假肢,可以實現(xiàn)手的部分功能。

 

植入體 

 

作為植入體的材料必須具有良好的生物相容性、強度和可塑性。目前所用材料大致可分為金屬合金類(常見的有鈦合金、鈷鉻鉬合金等)、有機高分子聚合物類(聚已內(nèi)酯等)。有機高分子聚合物類植入材料則需要考慮材料的可降解性,足夠的空隙容細胞長入,免于細胞免疫排斥等特性。目前,植入材料主要面臨異體材料感染性的問題,今后的研究方向應(yīng)該逐步提高植入材料的生物相容性,減少植入材料的感 染性,以自體細胞形成的組織代替當(dāng)前的植入材料。

 

生物材料支架打印

 

細胞的生長、繁殖、新陳代謝等生命活動需要一定的內(nèi)環(huán)境,生物材料支架為細胞提供了類似體內(nèi)環(huán)境的場所。支架由可降解吸收的生物材料打印而成,然后與相應(yīng)的細胞混合成體外組織或器官模型,放置于培養(yǎng)箱或?qū)嶒瀯游矬w內(nèi)培養(yǎng),終得到理想的打印產(chǎn)物。支架材料要有人工合成多聚體,以聚乳酸為代表;天然高分子聚合物,以膠原為代表。

 

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來源:Internet

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