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生物3D打印技术的发展对材料学的影响有多大?

更新时间:2018/12/27 14:27:10    浏览次数: 370     文章来源: 慧聪印刷网

生物3D打印是利用3D增材制造原理,以加工活性材料包括生物材料、生长因子、细胞等为主要内容,以重建人体组织和器官为目标,跨学科和领域的新型再生医学工程技术。

我们可以形象的把生物3D打印的过程比作给细胞搭房子的过程。生物材料相当于砖瓦,生物墨水则相当于混凝土,既能把材料相互粘合,又能为细胞生产提供类体内生长环境,而打印机则是水泥工人,负责将砖瓦与混泥土砌成房子。理论上来说,所有的材料都可以用来打印。对于生物医药等高端领域,打印材料的局限性严重阻碍了打印技术的发展。打印材料的瓶颈已经成为研究生物3D打印的重点问题之一。

目前生物3D打印材料的问题主要体现在以下几点:

1、可适用的材料成熟度赶不上打印市场发展的需求;

2、材料打印流畅度不够;特种材料强度达不到要求;

3、材料的安全性和环境友好性问题;

4、材料的标准化及系列化管理问题等。

其中研究在生物医学上应用的材料最引人注目,因为这方面的材料最难做、费用*。生物医用材料的3D打印尤为困难,需要考虑材料的强度、安全性、生物相容性、组织工程材料的可降解性等,目前可用于3D打印的生物医用材料主要有金属、陶瓷、聚合物、生物墨水等,其特点是分布范围较广,但是种类极少。

今天就向大家介绍医用金属材料与医用无机非金属材料,随着生物3D打印技术的出现,其又发生怎样了变化呢?

医用金属材料纳米结构粉末的出现

目前用于生物3D打印的SAHOD料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金等。西安第四军医大学西京骨科医院打印出与患者锁骨和肩胛骨完全一致的钛合金植入假体,并通过手术成功将钛合金假体植入骨肿瘤患者体内,成为世界范围内肩胛带不定形骨重建的*应用,标志着个体化金属骨骼修复技术的进一步成熟。

▲西安3D打印钛合金骨头假体成功应用临床目前,3D打印技术的难点之一就是使用难熔金属进行打印,特别是像钨、铬、铼这类熔点很高的金属,更别提纳米级粉末颗粒了。多年来,各国的科学家们致力于研究可以实现即有成本效益,又能达到理想性能要求的新工艺。

前些日子,外国科学家开发了一种新技术,一种可以使用3D打印技术创建复杂的纳米级金属结构。这种技术将可以用于各种各样的应用中,例如在微小的计算机芯片上创建3-D逻辑电路,又例如制造工程超轻型飞机组件,这种工艺能创建具有不同特性的各类新型纳米材料。

▲以镍和有机配体为原材料进行3D打印的示意图随着纳米级3D打印技术的出现和发展,纳米粉末打印材料成为了研究者们热议的话题,金属粉末占据了打印粉末市场的主要位置。先进的纳米结构粉末对超细的晶体结构要求高,纳米结构粉末可以显著改善打印成品的物理化学力学性能,这些性能的提升将进一步拓宽其在生物医学领域的应用。

▲刚3D打印好的和热解后的镍纳米结构SEM

医用无机非金属材料生物玻璃材料的逆袭

无机非金属生物材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃、氧化物及磷酸钙陶瓷和医用碳素材料。其中,生物陶瓷具有高硬度、高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀等优异性能,在医学骨替代品、植入物,齿科和矫形假体领域有着广泛的应用。但生物陶瓷韧性不高,硬而脆的特点使其加工成形困难,尤其是形状或内部结构复杂陶瓷部件需通过模具来成形,而模具加工价格昂贵且开发周期长,难以满足产品的需求。近年来,针对生物陶瓷制作工艺复杂、成型加工困难的问题,研究者们采用3D打印技术来制备生物陶瓷,并取得了长足的进展。

3D打印牙齿“绝大多数生物陶瓷都是用于骨和牙齿等硬组织修复,但现在通过生物学效应发现,生物陶瓷还能够调控细胞,很好地促进创伤愈合,也可以促进其它一些软组织,包括心肌、皮肤、脂肪的再生,还能够促进干细胞分化,用于各种不同的软组织修复。”中科院上海硅酸盐研究所研究员常江说,“因为很多软组织创伤的修复都需要血管的生长,如果生物陶瓷材料能够促进血管的再生,就可以修复更多的软组织创伤。”

生物玻璃是内部分子呈无规排列状态的硅酸盐的聚集体,主要含有钠、钙、磷等几种金属离子,在一定配比和化学反应条件下,会生成含有羟基磷酸钙的复合物,具有很高的仿生性,是生物骨组织的主要无机成分。

 ▲多孔生物活性玻璃由于生物玻璃材料具有降解性和生物活性,能够诱导骨组织的再生,因此在骨组织工程的研究领域被作为组织工程支架材料广泛应用,在无机非金属材料领域具有非常广阔的应用前景。研究者曾用生物玻璃材料制备出猴子大腿骨,植入其体内,经一定时间后取出研究,发现再生的猴子骨细胞已长入生物玻璃的网状结构内,且结合非常紧密;并且经力学实验测试发现这种人造骨比原骨力学性能更优。

生物3D打印技术带动材料学发展

目前,随着生物3D打印技术的逐渐成熟,越来越多的人开始关注其所需要的生物材料,开发出更多生物相容性好,包含活性组分,机械强度能够满足体内植入需求的材料成为新的研究高地。

Nova菌也认为,生物3D打印技术不仅仅是一门创新的技术,更是各相关领域所必须运用的科学手段,通过生物3D打印技术,能够挖掘更多的生物相容性材料来满足临床,乃至未来器官制造的需求,在骨骼治疗中,随着纳米级结构粉末的出现与生物玻璃材料的逆袭,我们不难看出,“人造骨”正在不断进化,各类定制化、富有生物活性的人工骨骼将在未来服务于大量的骨损患者。

本文介绍了随着生物3D打印技术的日趋成熟,医用金属材料、医用无机非金属材料有着重大突破。生物3D打印技术是一个共同发展大事,随着打印技术的发展,一方面带动了材料学的创新,另一方面,各类适用于生物3D打印技术的材料突破,也直接反哺了生物3D打印技术。

 

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