生物醫(yī)用材料與3D打印技術的完美結合

陳賢明 陸國英 杭州新亞齒科材料有限公司 （杭州 310000）

0.引言

3D 打印技術作為新生事物，被譽為“第三次工業(yè)革命的重要標志之一”[1]。該技術是一項具有工業(yè)革命意義的高新制造技術，代表了世界制造業(yè)發(fā)展的新趨勢，它使產(chǎn)品從設計到制造之間僅隔“打印”按鈕的距離。2012 年8 月，美國總統(tǒng)奧巴馬撥款3000 萬美元，在俄亥俄州建立了國家級3D 打印研究中心，啟動了“重振美國制造業(yè)計劃”。很多專家媒體也樂觀地認為：3D 打印產(chǎn)業(yè)將成為下一個具有寬廣前景的朝陽產(chǎn)業(yè)。

1.3D打印的發(fā)展史

1.1 第一代：立體光固化成型打印機

立體光固化成型SLA（stereo lithography appearance），即用特定波長與強度的激光聚焦到液態(tài)的光固化材料表面，使之由點到線，由線到面的順序凝固，完成一個層面的繪圖作業(yè)。然后再移動光波至另一個層面，層層疊加構成一個三維實體。

1986 年，該項技術的發(fā)明人創(chuàng)立3D Systems公司，并推出了第一臺SLA 商用3D 打印機。

1.2 第二代：熔融沉積成型打印機

熔融沉積成型FDM (Fused Deposition Modeling)工藝是通過將絲狀材料，如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積。每完成一層，工作臺下降一個層厚進行迭加沉積新的一層，如此反復最終實現(xiàn)零件的沉積成型。FDM 工藝的關鍵是保持半流動成型材料的溫度剛好在熔點之上(比熔點高1?C 左右)。其每一層片的厚度由擠出絲的直徑?jīng)Q定，通常是0.25～0.50mm。

FDM 技術由Stratasys 公司的創(chuàng)始人與1989年發(fā)明，它的優(yōu)點是材料利用率高，材料成本低，可選材料種類多，工藝簡潔。缺點是精度低，復雜構件不易制造，懸臂件需加支撐，表面質(zhì)量差。該工藝適合于產(chǎn)品的概念建模及形狀和功能測試，中等復雜程度的中小原型，不適合制造大型零件。

1.3 選擇性激光燒結打印機

選擇性激光燒結法SLS（Se1ected Laser Sintering），采用紅外激光器作能源，使用的造型材料多為粉末材料。加工時，首先將粉末預熱到稍低于其熔點的溫度，然后在刮平棍子的作用下將粉末鋪平；激光束在計算機控制下根據(jù)分層截面信息進行有選擇地燒結，一層完成后再進行下一層燒結，全部燒結完后去掉多余的粉末，則就可以得到一燒結好的零件[2]。

至1992 年，DTM 公司售出第一臺SLS 打印機以來，該項技術并沒有占領太大的市場，主要由于SLS 有很多缺陷，比如在成型的過程中因為是把粉末燒結，所以工作中會有很多的粉狀物體污染辦公空間。另外，產(chǎn)品存儲時間過長后會因為內(nèi)應力釋放而變形。對容易發(fā)生變形的地方設計支撐，表面質(zhì)量一般。生產(chǎn)效率較高，運營成本較高，設備費用較貴，能耗通常在8000瓦以上。

1.4 三維噴墨打印

三維噴墨打印是通過將液態(tài)連結體鋪放在粉末薄層上， 以打印橫截面數(shù)據(jù)的方式逐層創(chuàng)建各部件，創(chuàng)建三維實體模型。采用這種技術打印成型的樣品模型與實際產(chǎn)品具有同樣的色彩，還可以將彩色分析結果直接描繪在模型上，模型樣品所傳遞的信息較大。 三維噴墨打印的材料主要是一些高性能復合材料（高強打印粉）。

1993 年，麻省理工學院開發(fā)了在三維空間里的噴墨打印技術，開創(chuàng)了三維噴墨的新時代。獲得MIT 獨家授權的Z.corp.公司在95 年開發(fā)了第一臺高清彩色噴墨三維打印機。至2012 年，由Stratasys 公司開發(fā)的世界上最大的3D 噴墨打印機已經(jīng)可以打印1×0.8×0.5m 大小的物體。

目前，三維噴墨打印機是市場上精度最高，成型效果最好的高端打印設備。

2.3D打印在生物醫(yī)學上的應用

3D 打印在生物醫(yī)學上的應用主要體現(xiàn)在醫(yī)學模型快速建造、組織器官代替品制作、臉部修飾與美容等三方面。

2.1 醫(yī)學模型快速建造

醫(yī)學道具、模型、用品等材料可通過3D 打印獲得[3,4]。利用3D 打印技術，可將計算機影像數(shù)據(jù)信息形成實體結構，用于醫(yī)學教學和手術模擬。

傳統(tǒng)醫(yī)學教學模型制作方法時間長, 且搬運過程容易損壞, 使用3D 打印技術, 可有效減少制作時間，根據(jù)需要隨時制作，并降低搬運損壞的風險。據(jù)報道, 美國某醫(yī)院在所實施的頭顱分離手術前，先使用3D 打印機造出了嬰兒連體頭顱模型，并對手術方案進行充分的研究分析。他們將往常同類型手術72 小時縮短到了22 小時。

目前，3D 打印醫(yī)學模型已獲得較好的技術支持，具備一定的打印速度，能使用多種材質(zhì)進行打印，應用程度高，有著很好的應用前景。

2.2 組織器官代替品制作

人體組織器官代替物的材料要求很高，實現(xiàn)難度大。但目前已有一些成功案例，比如復制人體骨骼, 制作義肢等[5]。比如，人體某塊骨骼缺失或損壞需要置換，首先可掃描對稱的骨骼，形成計算機圖形并做對稱變換，再打印制作出相應骨骼。與傳統(tǒng)方法相比，該技術不需要先制作模具，可直接打印，建造速度較快。

這項技術可應用于牙種植、骨骼移植等[6,7]。與此同時，微型人體肝臟也已被成功制造。德國研究人員利用3D 打印機等相關技術，制作出柔韌的人造血管，并能使血管與人體融合，并同時解決了血管免遭人體排斥的問題。

該技術的不斷進步和應用的深人將有助于解決當前和今后人造器官短缺所面臨的困難。

2.3 臉部修飾與美容

利用3D 打印技術制作臉部損傷組織，如耳、鼻、皮膚、牙齒等[8,9]，可以得到與患者精確匹配的相應組織，為患者重新塑造頭部完整形象，達到美觀效果。首先掃描臉部建立起3D 計算機數(shù)據(jù)；醫(yī)生可以制作出患者所缺少的部位，重現(xiàn)原來面貌。比起傳統(tǒng)技術，該方法更精確，材質(zhì)選擇更加多樣化。據(jù)報道，一位左半邊臉上長著腫瘤的患者，在做了切除手術后臉上留下了一個大洞。醫(yī)生利用3D 打印技術為患者制作了一張假臉。制作中，首先全面掃描患者頭骨及面部，根據(jù)所得的結果分析并建立起原來的面部三維圖像，再打印輸出實物，通過使用特殊的材質(zhì)，再打印制作出與面部完美貼合并且栩栩如生的假臉。

3.結束語

3D 打印技術在醫(yī)療器械制造領域中仍然是一種新型技術，仍然存在著諸多的挑戰(zhàn)：

（1）3D 打印工藝技術在骨科植入物中應用還不成熟，即使最為成熟的EBM 技術中電子束與粉末之間的相互作用、變形及殘余應力控制、表面粗糙度、內(nèi)部結構缺陷的控制等關鍵技術問題和穩(wěn)定性仍然需要提高。

（2）“打印材料”研發(fā)是發(fā)展的難點，現(xiàn)在骨科器械領域常用的金屬材料為鈦合金粉末，由于受到材料的粒度分布、松裝密度、氧含量、流動性等性能的影響，其他的金屬材料和高分子材料的打印技術仍然處在試驗階段，對于具有活性的打印材料，如何維持細胞的活性及其功能的研究還是瓶頸技術。

（3）精度和效率都有待進一步的提高。3D 打印的精度受到設備能力、打印材料性能、打印工藝水平等多方面限制，目前國內(nèi)3D 打印還難以實現(xiàn)高精度零部件直接成型，仍需要后期其他加工工藝的補充與配合，進一步提高精度和效率尤為關鍵。

（4）多種不同特性和不同功能材料的復合打印技術有待突破，特別是在骨科器械領域需求尤為明顯，例如金屬與陶瓷的復合打印、金屬或陶瓷與高分子材料的復合打印，軟硬組織的復合打印，不同功能的活性組織在細胞級別的打印等。

（5）成本投入高。3D 打印設備價格昂貴，打印材料來源單一、工藝技術引進難度大、效率和精度較低，日常維護費用高等多因素都導致了現(xiàn)階段的高投入和低產(chǎn)出，形成產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和得到項目的專項扶持迫在眉睫。

但隨著3D 打印技術所支持材質(zhì)的增多，打印質(zhì)量的精細化，其應用水平亦將得到進一步提高，一定會有更加廣闊的天地。

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