3D 打印技術是 20 世紀 80 年代后期開始逐漸興起的一項新興制造技術，它是指在計算機控制下，根據物體的計算機輔助設計( CAD) 模型或計算機斷層掃描( CT) 等數據，通過材料的精確3D 堆積， 快速制造任意復雜形狀3D 物體的新型數字化成型技術。 3D 打印技術的基本制造過程是按照“分層制造、逐層疊加”的原理，通過計算機控制的 3D 打印系統進行逐層打印，疊加后最終獲得三維產品。

圖1 3D打成型模型

3D 打印技術的應用領域也在隨著技術的進步而不斷擴展，包括生活用品、機械設備、生物醫用材料，甚至是活體器官、在生物醫學領域，目前 3D 打印技術在國際上已開始被應用于器官模型的制造與手術分析策劃、個性化組織工程支架材料和假體植入物的制造、以及細胞或組織打印等方面。利用 3D 打印技術則可以根據不同患者的CT、磁共振成像 (MRI) 等成像數據，快速制造個性化的組織工程支架材料，不僅能實現材料與患者病變部位的完美匹配，而且更有利于促進細胞的生長與分化，獲得理想的組織修復效果。

對于生物醫用材料領域，打印材料的局限性嚴重阻礙了3D打印技術的發展。生物醫用材料的3D打印尤為困難，需要考慮材料的強度、安全性、生物相容性、組織工程材料的可降解性等，目前可用于3D打印的生物醫用材料主要有金屬、陶瓷、聚合物、生物墨水等，其特點是分布范圍較廣，但是種類極少。本綜述著重總結了近年來利用金屬、陶瓷、聚合物等材料，通過 3D 打印技術制備生物醫用材料的研究進展。

醫用無機非金屬材料

無機非金屬生物材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃、氧化物及磷酸鈣陶瓷和醫用碳素材料。

生物陶瓷

生物陶瓷具有高硬度、高強度、低密度、耐高溫、耐腐蝕等優異性能，在醫學骨替代品、植入物，齒科和矯形假體領域有著廣泛的應用。但生物陶瓷韌性不高，硬而脆的特點使其加工成形困難，采用3D打印技術制備生物陶瓷，近年來取得長足的進步。

圖2 陶瓷3D打印植入物

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生物陶瓷由于其對人體內的化學物質的抵抗力而成為醫療應用的首選材料。而且與金屬和聚乙烯相比，陶瓷材料已經被證明具有極好的耐磨性。生物陶瓷的化學穩定性意味著它們在插入體內時不會引發任何類型的化學反應，這是由于該材料具有強大的化學鍵和高純度成分。

圖3 陶瓷3D打印植入物

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當然，生物陶瓷的化學穩定性并不意味著所有的陶瓷都是不可降解的。3D打印陶瓷植入物包括氮化硅、氧化鋁、羥基磷灰石等種類，其中羥基磷灰石等陶瓷材料具有良好的生物相容性，在植入到體內之后將逐漸被人體降解吸收，生物工程和再生醫學領域的科學家們利用此類陶瓷材料的特點研發出用于修復骨骼缺損的陶瓷生物支架。

圖4 可降解陶瓷3D打印支架

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生物玻璃

生物玻璃是內部分子呈無規排列狀態的硅酸鹽的聚集體，主要含有鈉、鈣、磷等幾種金屬離子，在一定配比和化學反應條件下，會生成含有羥基磷酸鈣的復合物，具有很高的仿生性，是生物骨組織的主要無機成分。由于生物玻璃材料具有降解性和生物活性，能夠誘導骨組織的再生，因此在骨組織工程的研究領域被作為組織工程支架材料廣泛應用，在無機非金屬材料領域具有非常廣闊的應用前景。

醫用金屬材料

醫用金屬材料也被稱為外科植入金屬材料，主要用于診斷、治療，以及替換人體中的組織或增進其功能。近20年來，雖然金屬醫用材料相對于高分子材料、復合材料以及雜化和衍生材料等生物醫用材料的發展緩慢，但其具有高的強度、良好的韌性及抗彎曲疲勞強度、優異的加工性能等許多其它幾類醫用材料不可替代的優良性能，是臨床應用中最廣泛的承力植入材料。尤其隨著金屬3D打印技術的發展，金屬醫用材料得到了更廣泛的應用，最重要的應用有：骨折內固定板、螺釘、人工關節和牙根種植體等。

臨床應用的醫用金屬材料主要有不銹鋼、鈷合金、鈦合金、形狀記憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、鈮、鋯等。

1、不銹鋼

醫用不銹鋼（Stainless Steel as Biomedical Material）為鐵基耐蝕合金，是最早開發的生物醫用合金之一，其特點是易加工、價格低廉，耐蝕性和屈服強度可以通過冷加工提高，避免疲勞斷裂。不銹鋼按顯微組織可分為：奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、沉淀硬化型不銹鋼等，除常規醫療器械外，還可用于制作人工關節、骨折內固定器、牙齒矯形、人工心臟瓣膜等器件。

圖5 醫用不銹鋼鉗

醫用不銹鋼的缺點是其長期植入的穩定性差，加之其密度和彈性模量與人體硬組織相距較大，導致力學相容性差。由于腐蝕會造成金屬離子或其它化合物進人周圍的組織或整個機體，因而可在機體內引起某些不良組織學反應，如出現水腫、感染、組織壞死等，并且不銹鋼中鎳離子析出誘發的嚴重病變。

2、鈷合金

醫用鈷合金（Co-based Alloy as Biomedical Material）也是醫療中常用的金屬醫用材料。醫用鈷合金的耐腐蝕性比不銹鋼高40倍，主要被用以制作人工髖關節、膝關節、關節扣釘、接骨板、骨釘和骨針，目前應用最多的是鑄造鈷鉻鋁合金。

圖6 鈷基合金人工關節

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鈷合金在人體內多保持鈍化狀態，很少見腐蝕現象，與不銹鋼相比，其鈍化膜更穩定，耐蝕性更好。從耐磨性看，它也是所有醫用金屬材料中最好的，一般認為植入人體后沒有明顯的組織學反應。但是由于鈷合金價格較貴，并且鈷合金制作的人工髖關節由于金屬磨損腐蝕造成Co、Ni等離子溶出，存在著嚴重致敏性等生物學問題，在體內容易引起細胞和組織壞死，從而導致患者疼痛以及關節的松動、下沉，應用受到一定的限制。近年來，通過表面改性技術來改善鈷合金的表面特性，有效提高了其臨床效果。

3、鈦合金

醫用鈦合金（Ti-based- Alloy as Biomedical Material）是目前已知的生物親和性最好的金屬之一，是最有發展前景的醫用材料之一。目前，鈦和鈦合金主要應用于整形外科，尤其是四肢骨和顱骨整復，被用以制作各種骨折內固定器械、人工關節、頭蓋骨和硬膜、人工心臟瓣膜、齒、牙床、托環和牙冠。其中，醫用應用最多的鈦合金是TC4（Ti-6A1-4V）。

鈦及鈦合金的密度在4.5g/cm3左右，幾乎僅為不銹鋼和鈷合金的一半，密度接近人體硬組織，且其生物相容性、耐腐蝕性和抗疲勞性能都優于不銹鋼和鈷合金，是目前最佳的金屬醫用材料。鈦及鈦合金缺點是硬度較低，耐磨性差。若磨損發生，首先導致氧化膜破壞，隨后磨損的顆粒腐蝕產物進人體組織，尤其是Ti-6A1-4V合金中含有毒性的釩（V）可導致植入物的失效。為了改善鈦及鈦合金的耐磨性能，可對鈦及鈦合金制品表面進行高溫離子氨化或離子注入技術處理，強化其表面耐磨性。

圖7 醫用鈦及鈦合金

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4、形狀記憶合金

醫用形狀記憶合金（Shape Memory Alloy as Biomedical Material）的研究始于20世紀70年代，并很快得到了廣泛應用。臨床上應用最廣泛的形狀記憶合金主要有鎳鈦形狀記憶合金。醫用鎳鈦形狀記憶合金的形狀記憶恢復溫度為36±2℃，符合人體溫度在臨床上表現出與鈦合金相當的生物相容性。但由于鎳鈦記憶合金中含有大量的鎳元素，如果表面處理不當，則其中的鎳離子可能向周圍組織擴散滲透，引起細胞和組織壞死。醫用形狀記憶合金主要用于整形外科和口腔科，鎳鈦記憶合金應用最好的例子是自膨脹支架，特別是心血管支架。

圖8 醫用鈦及鈦合金

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5、貴金屬和純金屬鉭、鈮、鋯

醫用貴金屬是指用作生物醫用材料的金、銀、鉑及其合金的總稱。貴金屬的生物相容性較好，抗氧化、抗腐蝕性強，具備獨特的物理與化學穩定性，優異的加工特性，對人體組織無毒副作用。被用作整牙修復、顱骨修復、植入電極電子裝置、神經修復裝置、耳渦神經刺激裝置、橫隔膜神經刺激裝置、視覺神經裝置和心臟起搏器電極等。

鉭具有很好的化學穩定性和抗生理腐蝕性，鉭的氧化物基本上不被吸收和不呈現毒性反應，鉭可與其它金屬結合使用而不破壞其表面的氧化膜。在臨床上，鉭也表現出良好的生物相容性。鉭、鈮、鋯與鈦都具有極相似的組織結構和化學性能，在生物醫學上也得到一定應用，被用作接骨板、種植牙根、義齒、心血管支架及人工心臟等。但總的來說，醫用貴金屬和鉭、鈮、鋯等金屬因其價格較貴，廣泛應用受到限制。

圖9 貴金屬烤瓷牙

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生物醫用高分子材料

近年，生物醫用高分子材料可謂異軍突起，成為發展最快的生物醫學材料。目前生物醫用高分子材料研究又進入了一個新的階段，尋找具有主動誘導、刺激人體損傷組織再生修復的一類生物活性材料成為熱點。３Ｄ打印高分子耗材需要經過特殊處理，還需要加入粘合劑或者光固化劑，且對材料的固化速度、固化收縮率等有很高的要求。不同的打印技術對材料的要求都不相同，但是都需要材料的成型過程快速精確，材料能否快速精確的成型直接關系到打印的成敗。由于生物醫用材料直接與生物系統作用，除了各種理化性質要求外，生物醫學材料必須具有良好的生物相容性，生物醫學材料的開發比其他功能材料的開發具有更嚴格的審核程序，所以對用于生物醫學領域的３Ｄ打印高分子材料的研究才剛剛起步。

1. 高分子原材料的種類

目前常用的3D打印高分子材料有聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯和ABS等。在光固化立體印刷中的齊聚物的種類繁多，其中應用較多的主要包括如聚氨酯丙烯酸樹脂、環氧丙烯酸樹脂、聚丙烯酸樹脂以及氨基丙烯酸樹脂。

2. 常見應用工藝

目前應用較多的3D打印高分子材料技術主要包括光固化立體印刷(SLA)、熔融沉積成型( FDM)、選擇性激光燒結(SLS)等。

• 光固化立體印刷

光固化3D打印（SLA）工作原理與噴墨打印類似，在數字信號的控制下，噴嘴工作腔內的液體光敏樹脂在瞬間形成液滴，在壓力作用下噴嘴噴出到指定的位置，然后通過紫外光對光敏樹脂固化，固化后逐層堆積，得到成形零件。

光固化3D打印材料由光固化實體材料與支撐材料組成，其中支撐材料根據其固化方式不同又可分為相變蠟支撐材料和光固化支撐材料。光固化支撐材料通常俗稱光敏樹脂，主要由齊聚物、反應性稀釋劑（活性單體）、光引發劑以及其它助劑組成。國外由于起步較早，并且3D打印機能夠為光敏樹脂的研究提供實驗器材的支持，因而國外在3D打印光敏樹脂做的較為成熟。

圖10 光固化3D打印原理圖

光固化立體印刷制備生物可降解支架材料的高分子原料包括光敏分子修飾的聚富馬酸二羥丙酯(PPF)，聚(D，L-丙交酯)(PLA)、聚( -己內酯)(PCL)、聚碳酸酯、以及蛋白質多糖等天然高分子。 為了降低液態樹脂原料的黏度，還需要加入小分子的溶劑或稀釋劑，常用的如可參與光聚合反應的富馬酸二乙酯(DEF)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)，以及不參與聚合反應的乳酸乙酯，該技術獲得的3D成型材料具有可調控的孔尺寸孔隙率貫通性和孔分布。

• 熔融沉積成型

熔融沉積成型( FDM) 是采用熱熔噴頭，使得熔融狀態的材料按計算機控制的路徑擠出沉積，并凝固成型，經過逐層沉積凝固，最后除去支撐材料，得到所需的三維產品(圖2 )。FDM技所使用的原料通常為熱縮性高分子，包括ABS、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等．該技特點是成型產品精度高表面質量好成型機結構簡單無環境污染等，但是其缺點是操作溫度較高。

近年來，利用FDM技術制備生物醫用高分子材料也受到越來越多的重視，尤其是以脂肪族聚酯為原料制備生物可降解支架材料，取得了相當多的進展。材料的性質受到壓力梯度熔體流速溫度梯度等影響，聚酯與無機粒子的復合物也能用于熔融沉積成型制備3D支架材料。

圖11 熔融沉積成型所需產品

• 選擇性激光燒結

選擇性激光燒結(SLS)是采用激光束按照計算機指定路徑掃描，使工作臺上的粉末原料熔融粘結固化。當一層掃描完畢，移動工作臺，使固化層表面鋪上新的粉末原料，經過逐層掃描粘結，獲得三維材料。與SLA技術通過紫外光逐層引發液態樹脂原料發生聚合或交聯反應不同，SLS技是通過激光產生高溫使粉末原料表面熔融相互粘結來形成三維材料。其優點是加工速度快，無需使用支撐材料，但缺點是成型產品表面較糙，需后處理，加工過程中會產生粉塵和有毒氣體，而且持續高溫可能造成高分子材料的降解，及生物活性分子的變形或細胞的凋亡，該技術不能用于制備水凝膠支架。以生物可降解高分子為原料，利用SLS技術，也是制備外部形態和內部結構可控3D醫用高分子材料的有效途徑。

圖12 選擇性激光燒結示意圖

生物醫用高分子材料在醫療器械領域中得到了非常廣泛的應用，主要體現在人工器官、醫用塑料和醫用高分子材料3個領域。

1. 人工器官

人工器官指的是能植入人體或能與生物組織或生物流體相接觸的材料；或者說是具有天然器官組織或部件功能的材料，如人工心瓣膜、人工血管、人工腎、人工關節、人工骨、人工肌腱等，通常被認為是植入性醫療器械。人工器官主要分為機械性人工器官、半機械性半生物性人工器官、生物性人工器官3種。

2.醫用塑料

醫用塑料，主要用于輸血輸液用器具、注射器、心導管、中心靜脈插管、腹膜透析管、膀胱造瘺管、醫用粘合劑以及各種醫用導管、醫用膜、創傷包扎材料和各種手術、護理用品等。注塑產品是醫用塑料制品當中產量最大的品種。常用醫用塑料包括聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚四氟乙烯（PTFE）、熱塑性聚氨酯（TPU）、聚碳酸酯（PC）、聚酯（PET）等。

未來醫用塑料的發展趨勢是開發可耐多種消毒方式的醫用塑料，改善現有醫用塑料的血液相容性和組織相容性，開發新型的治療、診斷、預防、保健用塑料制品等。

3.藥用高分子材料

藥用高分子材料在現代藥物制劑研發及生產中扮演了重要的角色，在改善藥品質量和研發新型藥物傳輸系統中發揮了重要作用。藥用高分子材料的應用主要包括2個方面：用于藥品劑型的改善以及緩釋和靶向作用，此外還可以合成新的藥物。