基于生物材料的3D打印技術臨床應用概況
時間：2023-08-16 15:16 來源： 臨床工程資訊 作者：admin 閱讀：次
3D打印技術(又稱快速成型技術)正以前所未有的速度迅猛發展，已成為制造各種醫療領域產品的多功能且有利的平臺。3D打印技術發展過程中,制約其發展的主要因素有打印材料和打印工藝。經過多年的發展,3D打印生物材料已廣泛應用于臨床醫療實踐。臨床常見的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。
3D打印技術
1.3D噴印技術（3DPI）
根據電流體動力學原理,使用特定的噴頭,噴印流態材料，直接形成模型器件的技術。打印材料是液態，并且通過液滴的形式從噴頭噴射出來。常用生物材料：羥基磷灰石、Alpha-TCP、β-TCP、PVA、PEG和PEG 水凝膠等。醫學應用范圍：蛋白質、核酸等生物分子的打印。
2.光固化成型技術（SLA）
原理和噴墨打印相類似，以液態光敏樹脂為原料，通過紫外光掃描液態光敏樹脂使其固化，層層疊加,形成所需的模型。常用生物材料：光敏樹脂。醫學應用范圍：醫療模型的構建。
3. 熔融沉積成型技術(FDM)
基本原理是在計算機的控制下，將在噴頭里已經加熱融化的絲線狀或粒狀材料形成的熔體均勻噴灑出來，迅速冷切成型，塑形做成已經設計好的模型。常用生物材料：尼龍、PVA、聚碳酸酯等。醫學應用范圍：軟骨組織、骨組織的再生、抗生素的遞送和假肢等。
4.選擇性激光燒結技術(SLS)
通過計算機的控制，對粉未材料進行激光加熱、燒結、按照預先設定好的程序逐層累積形成所需的模型。常用生物材料：陶瓷、金屬和聚酰胺等。醫學應用范圍：藥物輸送和組織工程。
5. 擠壓成型生物打印技術（EBB）
工作原理類似傳統意義上的3D打印技術FDM，將生物“墨水”（Bioink：模擬生物內在環境的材料，起支撐細胞的作用）利用機動或氣動的方式產生壓強，將“墨水”從針頭擠出來。常用生物材料：膠原蛋白、透明質酸、海藻酸鹽、PEG、明膠和殼聚糖等。醫學應用范圍：主動脈瓣、神經組織、肌肉組織、骨頭和植入物等。
臨床上用于3D打印的生物材料
1、天然聚合物
常用的天然聚合物是藻酸鹽、明膠、膠原蛋白、殼聚糖和透明質酸等。具有良好的生物相容性，可以容納液體，并且可以輕松溶解在不同的溶劑中，例如磷酸鹽緩沖液和細胞培養溶液，從而使它們對組織更加友好。由于這些特性，可以以逐層的方式打印它，生成一個模型，如果放置在穩定的環境中，該模型將模仿自然器官。除此之外，當提供受控環境（例如常溫、充足的水和適當的生長培養基）時，它們可以模仿細胞或組織，經歷增殖、成熟和分化，并與周圍組織結構相適應。
2、金屬和合金
用干3D打印的金屬粉未材料主要有不銹鋼、鈦合金、鈷鉻合金、鉬鈦合金、鈷鉻鉬合金等，較成熟的3D金屬打印技術主要有選區激光熔化、電子束選區熔化和激光近凈成形等。金屬多用于人體植入物、抗感染、癌癥治療、醫學成像、藥物輸送、骨組織工程和生物傳感器等方面，在滿足人體安全性的前提下，還需滿足抗腐蝕性、力學性能、生物功能性、生物相容性等要求，在生物醫學領域具有廣泛的發展前景。
3、光敏樹脂
光敏樹脂主要利用SLA技術合成，目前還存在很多問題。光敏樹脂由光引、預聚物)單體及少量添加劑等組成。具有耐腐蝕、光潔度高、打印精度高、成型速度快、尺寸可調等優點。目前主要用于醫學模型的鑄造,便于臨床手術和教學等。
4、 生物塑料
3D打印生物塑料主要有聚乳酸、聚(乙二醇)二丙烯酸酯和聚己內脂等。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
纖維素、蛋白胨、海藻酸鈉、聚丙烯酸等都是高分子凝膠。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，也可用于藥物的可控釋放。
6、生物陶瓷材料
羥基磷灰石（HA）和磷酸鈣（CaPs）、氧化鋯和氧化鋁均為生物陶瓷材料。3D打印多孔陶瓷有利于滿足患者對輕量化、多功能材料的需求。其中HA與骨骼和牙齒的無機成分相似，具有良好的生物相容性、骨傳導、骨誘導、可降解性。常用于骨缺損修復，是應用最廣泛的人工骨替代材料。
生物材料3D打印在醫學領域中的應用
近年來，醫學方面的3D打印技術發展主要為：診斷與手術規劃、個性化體外模型制造、個性化植入體制造、再生醫學、個性化藥物緩釋裝置和腫瘤治療等。下面列舉幾個常用3D打印技術的科室：
1.牙科
在牙科中利用3D打印可以根據每位患者的需求和形態創建所需產品。例如，基于口內掃描數字化模型和光固化成型３Ｄ打印技術制作的樹脂模型，用作齒科正畸、齒科種植與修復和義齒制作等。具有良好的生物相容性，合適的機械性能、可降解性及孔隙率的生物材料利用3D打印技術還可用作牙周組織再生。
2.心血管科
3D生物打印能夠均勻分散細胞以匹配天然組織的密度，可以用來構建心臟組織。其中利用鈣離子交聯聚合物可以形成穩定的結構，其具有足夠的機械強度，足以滿足生物打印過程，研究發現3D打印的構建體支持內皮細胞和干細胞的增殖，從而形成具有機械性和生物性的可灌注血管。除上面所述，3D打印還可制作心臟貼片、心血管支架和冠狀動脈等。
3.骨科
作為植入式醫療器械，骨科智能植入物在疾病的診斷和治療中發揮著重要作用。目前最新研究發現，3D打印的智能骨科植入物可進行骨愈合評估、膝關節受力分析、脊柱融合監測、髖關節假體松動監測等功能。除此之外3D打印在骨科中最常見的應用是個體化定制植入、仿真模型重建、設計3D打印導板和骨科手術輔助材料的打印等。
4.眼科
3D打印技術憑借其獨特的制造精密設備的能力，已經被用于制造眼球模型。3D打印的模型與Navarro的模型相比，在眼球前房深度和總軸長度的計算上顯示出了更高的準確性。除此之外，利用3D打印定制化的人工晶體可以提供更好的視覺效果和舒適度。
5.其他
3D生物打印技術為構建三維組織器官模型提供了令人興奮的前景，因為它使復雜活體組織的再生性、自動化生產成為可能。同時生物打印的組織器官模型對某些疾病的治療、新型藥物篩選或毒性預測也有很大的作用。3D打印技術可以幫助醫療模型的建立，例如各個器官以及腫瘤模型。除此之外，3D打印在婦科中可以構建宮頸癌模型，進行術前規劃，顯示腫瘤形狀以及腫瘤與周圍組織的解剖關系。
總 結
在大數據、信息化和智能化的背景下，生物材料3D打印具有個性化、精準化生物醫學應用，越來越受到重視。生物材料3D打印研究已經在醫療與手術設計模型、手術導板、體外醫療器械，及非降解永久植入物等方面取得重要進展，并已經開展臨床應用。但是，由于3D打印機的局限，目前合適的3D打印生物材料有限，質量也有待于進一步提高。因此，3D打印生物材料問題的解決才能助力生物材料3D打印技術的臨床應用，從而造福人類。
3D打印技術
1.3D噴印技術（3DPI）
根據電流體動力學原理,使用特定的噴頭,噴印流態材料，直接形成模型器件的技術。打印材料是液態，并且通過液滴的形式從噴頭噴射出來。常用生物材料：羥基磷灰石、Alpha-TCP、β-TCP、PVA、PEG和PEG 水凝膠等。醫學應用范圍：蛋白質、核酸等生物分子的打印。
2.光固化成型技術（SLA）
原理和噴墨打印相類似，以液態光敏樹脂為原料，通過紫外光掃描液態光敏樹脂使其固化，層層疊加,形成所需的模型。常用生物材料：光敏樹脂。醫學應用范圍：醫療模型的構建。
3. 熔融沉積成型技術(FDM)
基本原理是在計算機的控制下，將在噴頭里已經加熱融化的絲線狀或粒狀材料形成的熔體均勻噴灑出來，迅速冷切成型，塑形做成已經設計好的模型。常用生物材料：尼龍、PVA、聚碳酸酯等。醫學應用范圍：軟骨組織、骨組織的再生、抗生素的遞送和假肢等。
4.選擇性激光燒結技術(SLS)
通過計算機的控制，對粉未材料進行激光加熱、燒結、按照預先設定好的程序逐層累積形成所需的模型。常用生物材料：陶瓷、金屬和聚酰胺等。醫學應用范圍：藥物輸送和組織工程。
5. 擠壓成型生物打印技術（EBB）
工作原理類似傳統意義上的3D打印技術FDM，將生物“墨水”（Bioink：模擬生物內在環境的材料，起支撐細胞的作用）利用機動或氣動的方式產生壓強，將“墨水”從針頭擠出來。常用生物材料：膠原蛋白、透明質酸、海藻酸鹽、PEG、明膠和殼聚糖等。醫學應用范圍：主動脈瓣、神經組織、肌肉組織、骨頭和植入物等。
臨床上用于3D打印的生物材料
1、天然聚合物
常用的天然聚合物是藻酸鹽、明膠、膠原蛋白、殼聚糖和透明質酸等。具有良好的生物相容性，可以容納液體，并且可以輕松溶解在不同的溶劑中，例如磷酸鹽緩沖液和細胞培養溶液，從而使它們對組織更加友好。由于這些特性，可以以逐層的方式打印它，生成一個模型，如果放置在穩定的環境中，該模型將模仿自然器官。除此之外，當提供受控環境（例如常溫、充足的水和適當的生長培養基）時，它們可以模仿細胞或組織，經歷增殖、成熟和分化，并與周圍組織結構相適應。
2、金屬和合金
用干3D打印的金屬粉未材料主要有不銹鋼、鈦合金、鈷鉻合金、鉬鈦合金、鈷鉻鉬合金等，較成熟的3D金屬打印技術主要有選區激光熔化、電子束選區熔化和激光近凈成形等。金屬多用于人體植入物、抗感染、癌癥治療、醫學成像、藥物輸送、骨組織工程和生物傳感器等方面，在滿足人體安全性的前提下，還需滿足抗腐蝕性、力學性能、生物功能性、生物相容性等要求，在生物醫學領域具有廣泛的發展前景。
3、光敏樹脂
光敏樹脂主要利用SLA技術合成，目前還存在很多問題。光敏樹脂由光引、預聚物)單體及少量添加劑等組成。具有耐腐蝕、光潔度高、打印精度高、成型速度快、尺寸可調等優點。目前主要用于醫學模型的鑄造,便于臨床手術和教學等。
4、 生物塑料
3D打印生物塑料主要有聚乳酸、聚(乙二醇)二丙烯酸酯和聚己內脂等。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
纖維素、蛋白胨、海藻酸鈉、聚丙烯酸等都是高分子凝膠。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，也可用于藥物的可控釋放。
6、生物陶瓷材料
羥基磷灰石（HA）和磷酸鈣（CaPs）、氧化鋯和氧化鋁均為生物陶瓷材料。3D打印多孔陶瓷有利于滿足患者對輕量化、多功能材料的需求。其中HA與骨骼和牙齒的無機成分相似，具有良好的生物相容性、骨傳導、骨誘導、可降解性。常用于骨缺損修復，是應用最廣泛的人工骨替代材料。
生物材料3D打印在醫學領域中的應用
近年來，醫學方面的3D打印技術發展主要為：診斷與手術規劃、個性化體外模型制造、個性化植入體制造、再生醫學、個性化藥物緩釋裝置和腫瘤治療等。下面列舉幾個常用3D打印技術的科室：
1.牙科
在牙科中利用3D打印可以根據每位患者的需求和形態創建所需產品。例如，基于口內掃描數字化模型和光固化成型３Ｄ打印技術制作的樹脂模型，用作齒科正畸、齒科種植與修復和義齒制作等。具有良好的生物相容性，合適的機械性能、可降解性及孔隙率的生物材料利用3D打印技術還可用作牙周組織再生。
2.心血管科
3D生物打印能夠均勻分散細胞以匹配天然組織的密度，可以用來構建心臟組織。其中利用鈣離子交聯聚合物可以形成穩定的結構，其具有足夠的機械強度，足以滿足生物打印過程，研究發現3D打印的構建體支持內皮細胞和干細胞的增殖，從而形成具有機械性和生物性的可灌注血管。除上面所述，3D打印還可制作心臟貼片、心血管支架和冠狀動脈等。
3.骨科
作為植入式醫療器械，骨科智能植入物在疾病的診斷和治療中發揮著重要作用。目前最新研究發現，3D打印的智能骨科植入物可進行骨愈合評估、膝關節受力分析、脊柱融合監測、髖關節假體松動監測等功能。除此之外3D打印在骨科中最常見的應用是個體化定制植入、仿真模型重建、設計3D打印導板和骨科手術輔助材料的打印等。
4.眼科
3D打印技術憑借其獨特的制造精密設備的能力，已經被用于制造眼球模型。3D打印的模型與Navarro的模型相比，在眼球前房深度和總軸長度的計算上顯示出了更高的準確性。除此之外，利用3D打印定制化的人工晶體可以提供更好的視覺效果和舒適度。
5.其他
3D生物打印技術為構建三維組織器官模型提供了令人興奮的前景，因為它使復雜活體組織的再生性、自動化生產成為可能。同時生物打印的組織器官模型對某些疾病的治療、新型藥物篩選或毒性預測也有很大的作用。3D打印技術可以幫助醫療模型的建立，例如各個器官以及腫瘤模型。除此之外，3D打印在婦科中可以構建宮頸癌模型，進行術前規劃，顯示腫瘤形狀以及腫瘤與周圍組織的解剖關系。
總 結
在大數據、信息化和智能化的背景下，生物材料3D打印具有個性化、精準化生物醫學應用，越來越受到重視。生物材料3D打印研究已經在醫療與手術設計模型、手術導板、體外醫療器械，及非降解永久植入物等方面取得重要進展，并已經開展臨床應用。但是，由于3D打印機的局限，目前合適的3D打印生物材料有限，質量也有待于進一步提高。因此，3D打印生物材料問題的解決才能助力生物材料3D打印技術的臨床應用，從而造福人類。
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