計(jì)算機(jī)技術(shù)在醫(yī)用材料領(lǐng)域中的應(yīng)用

張楊

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，3D打印技術(shù)目前受到科學(xué)界和醫(yī)學(xué)界廣泛的關(guān)注。3D打印技術(shù)能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)建立的物樣模型，通過(guò)數(shù)字識(shí)別與分析技術(shù)，將設(shè)計(jì)的物樣打印出來(lái)，像醫(yī)學(xué)中的人造骨骼、牙齒、器官等都可以通過(guò)3D打印技術(shù)打印出來(lái)，這將給生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)極大的便利。然而，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)中最大的應(yīng)用瓶頸就是打印材料，就當(dāng)前的發(fā)展情況而言，可用于醫(yī)學(xué)3D打印的材料種類(lèi)主要有金屬、陶瓷、高分子聚合物、生物墨水等，其特點(diǎn)是分布范圍較廣，但是種類(lèi)極少，相對(duì)稀缺。本文將圍繞“計(jì)算機(jī)技術(shù)在醫(yī)用材料領(lǐng)域中的應(yīng)用”這一話(huà)題，詳細(xì)分析了3D打印技術(shù)在醫(yī)用金屬材料、醫(yī)用無(wú)機(jī)非金屬材料、醫(yī)用高分子材料、復(fù)合生物材料等方面的具體應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)技術(shù);醫(yī)用材料;3D打印技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）10-0079-04

3D打印技術(shù)是近幾年來(lái)一項(xiàng)偉大的發(fā)明技術(shù)，它是一種同時(shí)集計(jì)算機(jī)、數(shù)字控制及自動(dòng)化技術(shù)、光、電、機(jī)械、材料為一體的先進(jìn)制造技術(shù)，目前已經(jīng)在航空航天、軍工、醫(yī)學(xué)、建筑、電子數(shù)碼等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。實(shí)際上，從理論上來(lái)講，所有的材料都可以用于3D打印，但由于打印產(chǎn)品的性能要求不同，打印材料的局限性嚴(yán)重阻礙了打印技術(shù)的發(fā)展，這已成為當(dāng)前推廣普及3D打印技術(shù)的瓶頸。其中研究在生物醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的材料最引人注目，因?yàn)檫@方面的材料最難做、費(fèi)用最高。并且還要考慮到材料的強(qiáng)度、安全性、生物相容性、組織工程材料的可降解性等問(wèn)題。

13D打印技術(shù)在醫(yī)用金屬材料中的應(yīng)用

一直以來(lái)，3D打印技術(shù)在打印材料的選擇上更多地還是以塑料為主。金屬材料較之于塑料，其力學(xué)強(qiáng)度、導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能、延展性能以及生物相容性會(huì)更好，因而在生物硬組織修復(fù)方面，金屬材料具有天然的優(yōu)越性能。關(guān)于3D打印技術(shù)在醫(yī)用金屬材料中的應(yīng)用，本文將著重闡述三部分內(nèi)容，即：Sahod打印材料、液態(tài)金屬Ga67In20.5Sn12.5合金材料（熔點(diǎn)約為11℃）。Sahod打印材料主要包括鈦合金、鋁合金、鈷鉻合金、不銹鋼材料。第四軍醫(yī)大學(xué)利用3D打印技術(shù)打印了與患者鎖骨和肩胛骨完全相同的鈦合金植入假體，其功能和外形得到了醫(yī)生高度認(rèn)可，并且與人體骨骼的匹配性和相容性也更好，這為推進(jìn)3D打印金屬材料骨骼修復(fù)技術(shù)的進(jìn)一步成熟應(yīng)用做出了巨大的貢獻(xiàn)。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所以液態(tài)金屬Ga67In20.5Sn12.5為打印材料，在生命體組織內(nèi)部成功打印出了3D液態(tài)金屬RFID天線(xiàn)。他們首先用微注射器將與生物體相容性良好的封裝材料注入目標(biāo)組織中，待其形成固化結(jié)構(gòu)后，再將導(dǎo)電金屬墨水和配套的微/納尺度器件順次注射，最終在人體生物組織中成功植人預(yù)設(shè)的目標(biāo)電子裝置。此項(xiàng)技術(shù)巧妙地融合了臨床醫(yī)學(xué)中的微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)，具有高適應(yīng)性、高適形性、低成本等優(yōu)點(diǎn)，在植人式生物醫(yī)用電子技術(shù)領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。近幾年來(lái)，以納米級(jí)金屬粉末為原料通過(guò)3D打印技術(shù)打印醫(yī)用產(chǎn)品備受關(guān)注。實(shí)踐表明，納米金屬粉末作原料打印出的醫(yī)用材料能夠顯著提升或改善成品的理化性能。最大的問(wèn)題是納米金屬粉末材料加工技術(shù)水平局限性過(guò)大、生產(chǎn)效率太低、制造成本很高，這嚴(yán)重制約了其產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化發(fā)展。

23D打印技術(shù)在醫(yī)用無(wú)機(jī)非金屬領(lǐng)域中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在醫(yī)用上有著重要的應(yīng)用，特別是無(wú)機(jī)非金屬領(lǐng)域上，當(dāng)前無(wú)機(jī)非金屬主要在生物陶瓷、玻璃等領(lǐng)域上有著重要的應(yīng)用。本文重點(diǎn)介紹3D打印技術(shù)制造生物陶瓷和生物玻璃。生物陶瓷因其具備高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、質(zhì)輕、抗腐蝕性能好等特點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛地用于制造人造骨骼、假體矯形等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在加工制造生物陶瓷的過(guò)程中，由于其自身具有硬而脆的特點(diǎn)，導(dǎo)致生物陶瓷很容易碎裂，特別是一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生物陶瓷材料，其加工加工難度十分巨大。針對(duì)生物陶瓷制作工藝復(fù)雜、成型加工困難的問(wèn)題，人們提出采用先進(jìn)的3D打印技術(shù)來(lái)加工制作內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生物陶瓷。就當(dāng)前的發(fā)展情況來(lái)看，使用較多的生物陶瓷打印原料有磷酸鈣、磷酸二正硅酸鈣、雙相磷酸鈣、硅酸鈣/β-磷酸三鈣等。例如，通過(guò)3D技術(shù)所打印出來(lái)的生物陶瓷支架，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，可以起到促進(jìn)人體細(xì)胞的成骨性分化作用。而且通過(guò)相關(guān)的研究，證實(shí)主材料為羥基磷灰石所打印出來(lái)的3D人體組織支架，可以起到促進(jìn)人體神經(jīng)鞘干細(xì)胞往成骨細(xì)胞方向分化。而且，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，如果β-磷酸三鈣含量在不斷增加，人體組織支架中的硅元素的釋放量也會(huì)不斷增多，從而更好地促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化。再如，用3D打印技術(shù)制作的生物陶瓷材料還可以用在醫(yī)學(xué)美容整形上，這大大簡(jiǎn)化了醫(yī)學(xué)美容整形的操作步驟，使之能夠?qū)崿F(xiàn)一次性精確整形。除此之外，由于3D技術(shù)適用范圍廣，技術(shù)操作靈活，能夠更好地滿(mǎn)足不同用戶(hù)的差異性需求，并且獲得良好的反響。

與生物陶瓷一樣，生物玻璃3D打印技術(shù)也是當(dāng)前醫(yī)用材料領(lǐng)域研究的熱門(mén)話(huà)題。生物玻璃屬于一種混合物，主要包含的物質(zhì)比較多，比如有鈉元素、硅元素、鈣元素以及磷元素等，而且生物玻璃內(nèi)部?jī)?nèi)置主要是硅酸鹽，而且分子的排列是無(wú)規(guī)則的。生物玻璃中所蘊(yùn)含的物質(zhì)離子，在一定的條件下，可以生成復(fù)合物，比如生物玻璃中的離子在一定的化學(xué)反應(yīng)條件下，可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成含有羥基磷酸鈣的復(fù)合物，仿生性能很高，因而常用來(lái)作為生物骨組織中主要的無(wú)機(jī)成分。生物玻璃材料與生物骨組織的相容性很好，生物玻璃內(nèi)部特有的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有助于誘導(dǎo)骨組織的再生。此外，對(duì)用生物玻璃為材料經(jīng)3D打印技術(shù)打印出的人造骨骼進(jìn)行力學(xué)性能分析，發(fā)現(xiàn)其骨骼強(qiáng)度及脆度均比人體原骨骼性能優(yōu)。

33D打印技術(shù)打印醫(yī)用高分子材料

3D打印技術(shù)打印醫(yī)用高分子材料大體上經(jīng)歷了三個(gè)主要的發(fā)展階段。第一階段是直接利用已經(jīng)合成好的高分子聚合物作為打印材料;第二階段是從有機(jī)物單體加聚反應(yīng)、縮聚反應(yīng)的層面在分子水平上設(shè)計(jì)出具有特殊性能要求的有機(jī)高分子聚合物材料;第三是尋找能夠主動(dòng)誘導(dǎo)、刺激人體損傷組織再生修復(fù)的生物活性材料，這也是當(dāng)前研發(fā)3D打印高分子材料技術(shù)所面臨的主要難題。當(dāng)前在醫(yī)用高分子材料中應(yīng)用的3D打印基礎(chǔ)主要有兩種模式，分別是熔融沉積打印模式和紫外光固化打印模式。其中，熔融沉積打印模式主要是針對(duì)熱速性能比較好的高分子材料，比如聚乳酸高分子材料。紫外光固化打印多采用液體光敏合成樹(shù)脂，這是一種復(fù)雜的混合物材料，內(nèi)含單體、預(yù)聚體、固化劑、稀釋劑等，這些物質(zhì)含量的多少都會(huì)直接影響到最終打印產(chǎn)品的性能。因?yàn)槭褂?D技術(shù)所打印出來(lái)的人體組織支架，能夠?qū)χЪ艿男螤睢⒊叽缫约翱捉Y(jié)構(gòu)等進(jìn)行控制和調(diào)整，所以和傳統(tǒng)的人體組織支架相比，3D打印技術(shù)打印出來(lái)的人體組織支架具有更多的優(yōu)勢(shì)。例如，Paulius Danilevi.cius等人采用激光三維打印技術(shù)制備了具有三維結(jié)構(gòu)的多孔PLA支架，并研究了支架的孔隙率對(duì)活體細(xì)胞生長(zhǎng)、繁殖、粘附作用的影響。通過(guò)打印不同孔隙率的PLA支架，并對(duì)各自的性能進(jìn)行比較分析，最終找到最適合作為生物組織支架的三維多孔PLA模型。

43D打印技術(shù)打印復(fù)合生物材料

復(fù)合材料指的是由兩種及兩種以上具有不同物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的材料復(fù)合而成的材料。復(fù)合材料包括基體和增強(qiáng)體兩部分，基體通常是連續(xù)相的，增強(qiáng)體通常是分散相的。復(fù)合材料能夠同時(shí)兼具其組分材料的性能優(yōu)勢(shì)，被廣泛地應(yīng)用在在人工組織器官制造、修復(fù)理療、診斷、醫(yī)療保健等方面。以復(fù)合材料為加工原料進(jìn)行3D打印加工處理，其最大的優(yōu)勢(shì)就是各個(gè)組成部分相互彌補(bǔ)、取長(zhǎng)補(bǔ)短。Falguni Pati等人在進(jìn)行3D脂肪組織支架工程的研究過(guò)程中分別做了以下兩種實(shí)驗(yàn)：第一組用PCL為框架，通過(guò)3D打印在PCL框架內(nèi)部打印出具有固定形狀和孔洞的三維脫細(xì)胞脂肪支架;第二組直接用脫細(xì)胞脂肪組織為載體，在載體上負(fù)載目標(biāo)細(xì)胞后制成凝膠，然后用3D打印技術(shù)將制備好的凝膠打印在PLC框架內(nèi)。最后將兩組實(shí)驗(yàn)中打印好的脂肪組織支架植人實(shí)驗(yàn)小鼠體內(nèi)，最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，第二組實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果均優(yōu)于第一組實(shí)驗(yàn)。一方面，這說(shuō)明3D打印復(fù)合材料實(shí)用性很好，能滿(mǎn)足多種材料打印要求;另一方面，上述對(duì)照實(shí)驗(yàn)說(shuō)明通過(guò)3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多種材料復(fù)合打印，使復(fù)合材料中的各個(gè)組成部分相輔相成，集中體現(xiàn)了各個(gè)組分材料的性能優(yōu)勢(shì)。除此之外，運(yùn)用3D技術(shù)打印復(fù)合材料還具有很好的可調(diào)性。如果使用單一組分的材料或合金材料打印醫(yī)用材料，受材料組分的影響，最終的產(chǎn)品效果性能往往較為單一，因而適用范圍較小。復(fù)合材料由于能夠調(diào)節(jié)其基體、增強(qiáng)體的數(shù)量、種類(lèi)、配比、復(fù)合條件，對(duì)于完善彌補(bǔ)單一組分材料性能上的局限性大有裨益。

5細(xì)胞參與的生物3D打印材料

經(jīng)過(guò)大量前期重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)將生物活體細(xì)胞與3D打印支架共同培養(yǎng)，生物活體細(xì)胞能夠在多種3D打印支架上大量存活，并且能夠延續(xù)原有的正常生物活性，并且活體細(xì)胞的成活效果相對(duì)于普通的二維培養(yǎng)效果要好的多。以上文提到的3D打印技術(shù)打印的PCL支架為例，將生物活體細(xì)胞與PCL支架混同培養(yǎng)，共同制成“生物墨水”，從而可以打印出臨床上所需的生物組織材料。但是，受當(dāng)前相關(guān)技術(shù)水平的限制，當(dāng)前的生物細(xì)胞與材料混合打印技術(shù)準(zhǔn)確來(lái)講應(yīng)該稱(chēng)之為“非直接細(xì)胞參與的生物3D打印”。實(shí)際上，細(xì)胞直接參與的生物3D打印是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的多學(xué)科交叉技術(shù)，涉及到生物醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)、分子生物學(xué)、化學(xué)生物學(xué)等多門(mén)學(xué)科，且上述學(xué)科大都是同時(shí)涵蓋多門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科的交叉性學(xué)科。目前，在細(xì)胞參與的生物3D打印材料的選擇上，研究的熱點(diǎn)聚焦在“水凝膠”上。什么是“水凝膠”呢？原來(lái)，水凝膠是一種新型生物醫(yī)用材料，它是由具有生物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高聚物和介質(zhì)共同組成的多元體系。醫(yī)學(xué)臨床上常用的水凝膠由于其理化組成近似于生物細(xì)胞外基質(zhì)，故而其生物相容性很好。因?yàn)獒t(yī)用水凝膠對(duì)于生物細(xì)胞的粘附能力不強(qiáng)，所以當(dāng)細(xì)胞和醫(yī)用水凝膠混合之后，所以醫(yī)用水凝膠也不會(huì)對(duì)生物細(xì)胞造成影響，從而保證生物細(xì)胞的正?；钚?。相反，以醫(yī)用水凝膠為外包物，一方面能夠?yàn)樯锘铙w細(xì)胞的正常生命活動(dòng)提供代謝環(huán)境和生長(zhǎng)空間，另一方面，也能夠有效地防止生物活體細(xì)胞遭到外界環(huán)境的影響。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，是將醫(yī)用水凝膠、生物交聯(lián)劑、生物活體細(xì)胞三者互相混合后，做成“生物墨水”，以此為原材料進(jìn)行打印。例如，美國(guó)康奈爾大學(xué)將I型膠原蛋白水凝膠與牛耳活細(xì)胞組成的“生物墨水”，通過(guò)3D打印技術(shù)來(lái)將人體的耳廓成功地打印出來(lái)，通過(guò)3D打印技術(shù)所打印出來(lái)的人造耳廓和正常耳廓不管是在外形上還是功能上都有著很大的相似度，所以將3D打印技術(shù)打印出來(lái)的人造耳廓植入人體之后，能夠和人體機(jī)體之間呈現(xiàn)出良好的生物相容性，保證人體生命體征的正常性和穩(wěn)定性。另一種則是取出患者的部分肋軟骨雕刻出新的耳廓。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成功使人們意識(shí)到，可以將患者的人耳細(xì)胞與I型膠原蛋白水凝膠混合作為“生物墨水”，從而打印出能夠與患者人體相容性很好的生物細(xì)胞，并進(jìn)行移植。此項(xiàng)技術(shù)將會(huì)引發(fā)醫(yī)療整形行業(yè)未來(lái)的一場(chǎng)技術(shù)性革命。

63D打印技術(shù)在醫(yī)用材料領(lǐng)域應(yīng)用未來(lái)展望及趨勢(shì)分析

綜合以上所述，3D打印技術(shù)目前已經(jīng)成為醫(yī)用材料領(lǐng)域中的應(yīng)用及研發(fā)熱門(mén)技術(shù)，其應(yīng)用效果也日益明顯。這主要源于以下三點(diǎn)原因：①3D打印技術(shù)克服了醫(yī)學(xué)中生物組織損壞和人體器官衰竭的困難。運(yùn)用3D打印技術(shù)能夠?yàn)槊恳晃换颊叽蛴〕鰧?zhuān)屬的人體移植器官，這實(shí)際上相當(dāng)于為每一個(gè)人都建造了一套屬于自己的組織器官儲(chǔ)備庫(kù)。②在表皮修復(fù)和醫(yī)學(xué)美容技術(shù)上，3D應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用水平也將進(jìn)一步提高。隨著3D打印技術(shù)打印精度的材料適應(yīng)性的進(jìn)一步提升，人體各部位的修整與融合技術(shù)會(huì)日臻完美。③3D打印技術(shù)廣泛地應(yīng)用于醫(yī)用器材及醫(yī)學(xué)用品打印上，像呼吸導(dǎo)管、手術(shù)工具、內(nèi)組織修復(fù)工具等。通過(guò)加強(qiáng)3D打印技術(shù)在醫(yī)用材料領(lǐng)域上的應(yīng)用，不僅可以減少獲取醫(yī)療用品的時(shí)間，還能夠有效地簡(jiǎn)化用品的獲取換屆，從而有效地解決當(dāng)前存在存在的醫(yī)療用品補(bǔ)助的問(wèn)題。未來(lái)3D打印技術(shù)在醫(yī)用材料領(lǐng)域上有著重要的應(yīng)用，筆者認(rèn)為，當(dāng)前應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)3D打印技術(shù)在生物材料的應(yīng)用上，通過(guò)3D打印技術(shù)所打印出來(lái)的生物材料，在處理前后存在較多問(wèn)題，比如收縮率大，材料中的添加劑對(duì)生物體有害等。因此，要研發(fā)更多的理化改性技術(shù)，提高生物打印材料的性能，研發(fā)出更多性能優(yōu)異、穩(wěn)定性好、生物相容性高的打印材料。

信息時(shí)代下，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)正逐步滲透到社會(huì)各行各業(yè)，深刻的改變著社會(huì)生產(chǎn)和居民的日常生活。對(duì)于醫(yī)用材料而言，3D打印技術(shù)的成熟和推廣對(duì)其帶來(lái)了革命性變化，這既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。一方面，3D打印技術(shù)在產(chǎn)品打印上的技術(shù)局限性小，能夠根據(jù)醫(yī)學(xué)上的臨床需要，打印出性能優(yōu)良、生物相容性高的生物產(chǎn)品。另一方面，3D打印技術(shù)在醫(yī)用材料上的要求門(mén)檻比較高，這在一定程度上限制了其應(yīng)用推廣。但毋庸置疑的是3D打印技術(shù)在未來(lái)必將有著十分廣闊的前景。