無(wú)機(jī)非金屬,金屬,高分子三大類3D打印醫(yī)用材料介紹

3D打印醫(yī)用材料介紹3D3D打印技術(shù)制備生物醫(yī)用材料的研究進(jìn)展。3D打印技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始逐漸興起的一項(xiàng)新興制造技術(shù)，它是指在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)物體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型或計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)等數(shù)據(jù)，通過(guò)材料的精確3D堆積，快速制造任意復(fù)雜形狀3D物體的新型數(shù)字化成型技術(shù)。3D打印技術(shù)的基本制造過(guò)程是按照“分層制造、逐層疊加”的原理，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的3D打印系統(tǒng)進(jìn)行逐層打印，疊加后最終獲得三維產(chǎn)品。3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也在隨著技術(shù)的進(jìn)步而甚至是活體器官、在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，目前3D術(shù)在國(guó)際上已開(kāi)始被應(yīng)用于器官模型的制造與手術(shù)分析策劃、個(gè)性化組織工程支架材料和假體植入物的制造、以及細(xì)胞或組織打印等方面。利用3D打印技術(shù)則可以根據(jù)不同患者的CT、磁共振成像(MRI)等成像數(shù)據(jù)，快速制造個(gè)性化的組織工程支架材料，不僅能實(shí)現(xiàn)材料與患者病變部位的完美匹配，而且更有利對(duì)于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，打印材料的局限性嚴(yán)重3D3D3D的生物醫(yī)用材料主要有金屬、陶瓷、聚合物、生物墨水等，其特點(diǎn)是分布范圍較廣，但是種類極少。本綜3D打印技術(shù)制備生物醫(yī)用材料的研究進(jìn)展。醫(yī)用無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)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(yī)用碳素材料。生物陶瓷耐腐蝕等優(yōu)異性能，在醫(yī)學(xué)骨替代品、植入物，齒科和矯形假體領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但生物陶瓷韌性不3D術(shù)制備生物陶瓷，近年來(lái)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。圖片來(lái)源Othworld生物陶瓷由于其對(duì)人體內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)的抵抗力而陶瓷材料已經(jīng)被證明具有極好的耐磨性。生物陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性意味著它們?cè)诓迦塍w內(nèi)時(shí)不會(huì)引發(fā)任何類型的化學(xué)反應(yīng)，這是由于該材料具有強(qiáng)大的化學(xué)鍵和高純度成分。當(dāng)然，生物陶瓷的化學(xué)穩(wěn)定性并不意味著所有的3D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(nèi)之后將逐漸被人體降解吸收，生物工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家們利用此類陶瓷材料的特點(diǎn)研發(fā)出用于修復(fù)骨骼缺損的陶瓷生物支架。生物玻璃生物玻璃是內(nèi)部分子呈無(wú)規(guī)排列狀態(tài)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(xué)反應(yīng)條件下，會(huì)生成含有羥基磷酸鈣的復(fù)合物，具有很高的仿生性，是生物骨組織的主要無(wú)機(jī)成分。由于生物玻璃材料具有降解性和生物活性，能夠誘導(dǎo)骨組織的再生，因此在骨組織工程的研究領(lǐng)域被作為組織工程支架材料廣泛應(yīng)用，在無(wú)機(jī)非金屬材料領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。醫(yī)用金屬材料醫(yī)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(jìn)其功20復(fù)合材料以及雜化和衍生材料等生物醫(yī)用材料的發(fā)展緩慢，但其具有高的強(qiáng)度、良好的韌性及抗彎曲疲勞強(qiáng)度、優(yōu)異的加工性能等許多其它幾類醫(yī)用材料不可替代的優(yōu)良性能，是臨床應(yīng)用中最廣泛的承力植入材3D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(yī)用不銹鋼（StainlessSteelasBiomedicalMaterial）械外，還可用于制作人工關(guān)節(jié)、骨折內(nèi)固定器、牙齒矯形、人工心臟瓣膜等器件。醫(yī)用不銹鋼的缺點(diǎn)是其長(zhǎng)期植入的穩(wěn)定性差，加之其密度和彈性模量與人體硬組織相距較大，導(dǎo)致力學(xué)相容性差。由于腐蝕會(huì)造成金屬離子或其它化合物進(jìn)人周圍的組織或整個(gè)機(jī)體，因而可在機(jī)體內(nèi)引起某并且不銹鋼中鎳離子析出誘發(fā)的嚴(yán)重病變。2、鈷合金醫(yī)用鈷合金（Co-basedAlloyasBiomedicalMaterial）也是醫(yī)療中常用的金屬醫(yī)用材料。醫(yī)用鈷40圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)鈷合金在人體內(nèi)多保持鈍化狀態(tài)，很少見(jiàn)腐蝕現(xiàn)象，與不銹鋼相比，其鈍化膜更穩(wěn)定，耐蝕性更好。從耐磨性看，它也是所有醫(yī)用金屬材料中最好的，一般認(rèn)為植入人體后沒(méi)有明顯的組織學(xué)反應(yīng)。但是由于鈷合金價(jià)格較貴，并且鈷合金制作的人工髖關(guān)節(jié)由于CoNi從而導(dǎo)致患者疼痛以及關(guān)節(jié)的松動(dòng)、下沉，應(yīng)用受到一定的限制。近年來(lái)，通過(guò)表面改性技術(shù)來(lái)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(yī)用鈦合金（Ti-based-AlloyasBiomedicalMateria是最有發(fā)展前景的醫(yī)用材料之一。目前，鈦和鈦合金主要應(yīng)用于整形外科，尤其是四肢骨和顱骨整復(fù)，被用以制作各種骨折內(nèi)固定器械、人工關(guān)節(jié)、頭蓋骨和TC4（Ti-6A1-4。4.5g/cm3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(yōu)于不銹鋼和鈷合金，是目前最佳的金屬醫(yī)用材料。鈦及鈦合金缺點(diǎn)是硬度較低，耐磨性差。若磨損發(fā)生，首先導(dǎo)致氧化膜破壞，隨后磨損的顆粒腐蝕產(chǎn)物進(jìn)人體組織，尤其Ti-6A1-4V的失效。為了改善鈦及鈦合金的耐磨性能，可對(duì)鈦及鈦合金制品表面進(jìn)行高溫離子氨化或離子注入技術(shù)處理，強(qiáng)化其表面耐磨性。4、形狀記憶合金醫(yī)用形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloyasBiomedicalMaterial）2070并很快得到了廣泛應(yīng)用。臨床上應(yīng)用最廣泛的形狀記憶合金主要有鎳鈦形狀記憶合金。醫(yī)用鎳鈦形狀記憶合金的形狀記憶恢復(fù)溫度為36±2℃，符合人體溫度在臨床上表現(xiàn)出與鈦合金相當(dāng)?shù)纳锵嗳菪浴５捎阪団佊洃浐辖鹬泻写罅康逆囋?，如果表面處理不?dāng)，則其中的鎳離子可能向周圍組織擴(kuò)散滲透，引起細(xì)胞和組織壞死。醫(yī)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(yīng)用最好的例子是自膨脹支架，特別是心血管支架。5、貴金屬和純金屬鉭、鈮、鋯醫(yī)用貴金屬是指用作生物醫(yī)用材料的金、銀、鉑抗腐蝕性強(qiáng)，具備獨(dú)特的物理與化學(xué)穩(wěn)定性，優(yōu)異的顱骨修復(fù)、植入電極電子裝置、神經(jīng)修復(fù)裝置、耳渦神經(jīng)刺激裝置、橫隔膜神經(jīng)刺激裝置、視覺(jué)神經(jīng)裝置和心臟起搏器電極等。鉭具有很好的化學(xué)穩(wěn)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(xiàn)毒性反應(yīng)，鉭可與其鉭也表現(xiàn)出良好的生物相容性。鉭、鈮、鋯與鈦都具有極相似的組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能，在生物醫(yī)學(xué)上也得到一定應(yīng)用，被用作接骨板、種植牙根、義齒、心血鈮、鋯等金屬因其價(jià)格較貴，廣泛應(yīng)用受到限制。生物醫(yī)用高分子材料近年，生物醫(yī)用高分子材料可謂異軍突起，成為發(fā)展最快的生物醫(yī)學(xué)材料。目前生物醫(yī)用高分子材料研究又進(jìn)入了一個(gè)新的階段，尋找具有主動(dòng)誘導(dǎo)、刺激人體損傷組織再生修復(fù)的一類生物活性材料成為熱點(diǎn)。３Ｄ打印高分子耗材需要經(jīng)過(guò)特殊處理，還需要加入粘合劑或者光固化劑，且對(duì)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(shù)對(duì)材料的材料能否快速精確的成型直接關(guān)系到打印的成敗。由于生物醫(yī)用材料直接與生物系統(tǒng)作用，除了各種理化性質(zhì)要求外，生物醫(yī)學(xué)材料必須具有良好的生物相容性，生物醫(yī)學(xué)材料的開(kāi)發(fā)比其他功能材料的開(kāi)發(fā)具有更嚴(yán)格的審核程序，所以對(duì)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的３Ｄ打印高分子材料的研究才剛剛起步。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、ABS印刷中的齊聚物的種類繁多，其中應(yīng)用較多的主要包括如聚氨酯丙烯酸樹(shù)脂、環(huán)氧丙烯酸樹(shù)脂、聚丙烯酸樹(shù)脂以及氨基丙烯酸樹(shù)脂。常見(jiàn)應(yīng)用工藝目前應(yīng)用較多的3D打印高分子材料技術(shù)主要包括光固化立體印刷(SLA)FDM性激光燒結(jié)(SLS)等。光固化立體印刷3D（SLA在數(shù)字信號(hào)的控制下，噴嘴工作腔內(nèi)的液體光敏樹(shù)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(guò)紫外光對(duì)光敏樹(shù)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(shí)體材料與支撐材料組成，其中支撐材料根據(jù)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（性單體3D3D熟。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聚丙交酯)(PLA))(PCL)、聚碳酸(DEF)和N(NVP)3D熔融沉積成型FDM)狀態(tài)的材料按計(jì)算機(jī)控制的路徑擠出沉積，并凝固成型，經(jīng)過(guò)逐層沉積凝固，最后除去支撐材料，得到所2)。FDM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(diǎn)是成型產(chǎn)品精度高表面質(zhì)量好成型機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無(wú)環(huán)境污染等，但是其缺點(diǎn)是操作溫度較高。FDM也受到越來(lái)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(dāng)多的進(jìn)展。材料的性質(zhì)受到壓力梯度熔體流速溫度梯度等影響，聚酯與無(wú)機(jī)粒子的復(fù)合物也能用于熔融沉積成型制備3D支架材料。選擇性激光燒結(jié)選擇性激光燒結(jié)(SLS)是采用激光束按照計(jì)算機(jī)當(dāng)一層掃描完畢，移動(dòng)工作臺(tái)，使固化層表面鋪上新的粉末原料，經(jīng)過(guò)逐層掃描粘結(jié)，獲得三維材料。與SLA技術(shù)通過(guò)紫外光逐層引發(fā)液態(tài)樹(shù)脂原料發(fā)生聚合或交聯(lián)反應(yīng)不同，SLS技是通過(guò)激光產(chǎn)生高溫使粉末原料表面熔融相互粘結(jié)來(lái)形成三維材料。其優(yōu)點(diǎn)是加工速度快，無(wú)需使用支撐材料，但缺點(diǎn)是成型產(chǎn)品表面較糙，需后處理，加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生粉塵和有毒氣體，而且持續(xù)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(xì)胞的凋亡，該技術(shù)不能用于制SLS3D生物醫(yī)用高分子材料在醫(yī)療器械領(lǐng)域中得到了非常廣泛的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在人工器官、醫(yī)用塑料和醫(yī)用高分子材料3個(gè)領(lǐng)域。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(shuō)是具有天然器官組織或人工關(guān)節(jié)、人工骨、人工肌腱等，通常被認(rèn)為是植入性醫(yī)療器械。人工器官主要分為機(jī)械性人工器官、半3醫(yī)用塑料醫(yī)用塑料，主要用于輸血輸液用器具、注射器、心導(dǎo)管、中心靜脈插管、腹膜透析管、膀胱造瘺管、醫(yī)用粘合劑以及各種醫(yī)用導(dǎo)管、醫(yī)用膜、創(chuàng)傷包扎材料和各種手術(shù)、護(hù)理用品等。注塑產(chǎn)品是醫(yī)用塑料制品當(dāng)中產(chǎn)量最大的品種。常用醫(yī)用塑料包括