醫(yī)學(xué)三維打印材料的應(yīng)用分類,醫(yī)學(xué)工程論文

醫(yī)學(xué)三維打印材料的應(yīng)用分類,醫(yī)學(xué)工程論文三維打印〔three-dimensionalprinting,3DP〕,又名快速成型、實體自由成型、增量制造等，其核心原理是借助電腦數(shù)據(jù)，通過一層一層添加材料來構(gòu)建三維物體。正如印刷術(shù)的出現(xiàn)推動了文明和社會進步，自1986年三維打印技術(shù)問世以來，因精致細(xì)密復(fù)制、一體成型、節(jié)約材料等眾多優(yōu)點，三維打印滲入了各行各業(yè)并引領(lǐng)創(chuàng)新。能夠講，只要能找到適宜的材料，三維打印能夠?qū)崿F(xiàn)任何設(shè)計、仿真所有物品，在創(chuàng)新制造上擁有不可比較的優(yōu)勢。因能精到準(zhǔn)確清楚明晰地展現(xiàn)人體構(gòu)造，三維打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。主要應(yīng)用分三方面：一是模型制造，用以醫(yī)學(xué)教學(xué)、手術(shù)規(guī)劃或練習(xí)；二是可移植假體制造，用于人體構(gòu)造如骨骼、瓣膜的替換，三是組織工程，是指將生物材料、生物化學(xué)物質(zhì)和細(xì)胞共同組裝以制造組織或器官，也稱為生物三維打印〔three-dimensionalbioprinting〕[1].因人體構(gòu)造有特殊的質(zhì)地，醫(yī)學(xué)三維打印領(lǐng)域?qū)Ψ抡娌牧系耐庥^、機械性能、生物相容性等方面有各式各樣的特殊要求。能夠講，材料的發(fā)展決定了醫(yī)學(xué)三維打印的將來。1醫(yī)學(xué)三維打印材料的應(yīng)用分類固然完美展現(xiàn)精細(xì)構(gòu)造對任何三維打印技術(shù)和材料來講都不在話下，但實際操作經(jīng)過中，成品的不同用處往往決定了對材料選取的特殊要求，詳細(xì)如表1所示。醫(yī)學(xué)教育用的示教模型只需有高仿真的外觀，但對機械性能和生物相容性等并沒有要求。相比于此，手術(shù)操作練習(xí)模型則要求材料的質(zhì)地與相應(yīng)的人體構(gòu)造類似。而對于假體移植和組織工程而言，機械性能、生物相容性才是選取材料需考慮的首要因素。不同材料需由不同的打印技術(shù)來實現(xiàn)，三維打印的常用技術(shù)、簡稱和原理可參見表2.下面將分別針對模型材料和生物相容材料進行介紹。1.1模型材料模型材料用于醫(yī)學(xué)教學(xué)、手術(shù)規(guī)劃或手術(shù)練習(xí)的模型制作，下面分成硬質(zhì)和軟質(zhì)材料進行介紹〔模型材料對應(yīng)的打印技術(shù)、優(yōu)缺點和應(yīng)用實例的總結(jié)參見表3〕.1.1.1硬質(zhì)材料：硬質(zhì)三維打印材料種類多、成本低、普及廣，是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的材料，成品主要用于三方面：一是示教模型，用于醫(yī)學(xué)教育、術(shù)前討論、醫(yī)患溝通等；二是手術(shù)導(dǎo)板，在整形外科、口腔科使用較多；三是手術(shù)操作練習(xí)模型，但僅限于模擬本來就堅硬的人體構(gòu)造，如骨骼、牙齒、氣管，醫(yī)生可在模型上切割、鉆孔等，大大提高手術(shù)熟練度。硬質(zhì)材料主要有如下幾類：1〕光敏樹脂。光敏樹脂多呈液態(tài)，最早使用的有聚丙烯酸樹脂和環(huán)氧樹脂，包括它們在內(nèi)的大多樹脂成品透明、堅硬且易脆，可由SL或PolyJet打印[2].堅硬的樹脂成品在制作示教模型、手術(shù)導(dǎo)板和骨骼、牙齒等人體構(gòu)造的手術(shù)練習(xí)模型等方面幾乎沒有限制。往樹脂原料里添加石膏粉、陶瓷顆粒等，還能使成品愈加堅硬牢固[2].樹脂的透明特性使之能夠制作內(nèi)部構(gòu)造可視化的理想教學(xué)模型，例如內(nèi)部靜脈分支清楚明晰可1[3],或是顯示內(nèi)部腫瘤的透明器官模型等[4].2〕工程塑料。用于三維打印的工程塑料有聚碳酸酯〔polycarbonate,PC材料〕、聚酰胺〔尼龍類材料〕和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯〔acrylonitrilebuta-dienestyrene,ABS〕等。工程塑料強度高、硬度高，當(dāng)前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用多限于示教模型和手術(shù)導(dǎo)板的制作[5].不過隨著材料的發(fā)展，也有工程塑料成品能知足手術(shù)操作的真實性，例如聚酰胺顆粒和玻璃微球的混合粉末制作的骨骼模型的外觀和質(zhì)感非常真實，可由SLS實現(xiàn)[6].3〕其他。金屬、石膏、合成聚合物可以用于制作堅硬物品，能夠粉末形式由SLS技術(shù)打印[7].金屬制品堅固、制作精度高，但畢竟顏色局限、成本高、搬運不便，較少用于醫(yī)學(xué)模型制作。石膏的價格低廉，可由多種技術(shù)打印。值得一提的是，3DP可通過不同顏色的黏合劑來給石膏成品賦予不同的顏色，是難得的能打印全彩色樣件的三維打印工藝[5,7].1.1.2軟質(zhì)材料：軟質(zhì)材料主要用于模擬較軟的人體構(gòu)造，可供選擇的種類相對少。真本質(zhì)感的手術(shù)操作練習(xí)模型不僅能給醫(yī)生很好的形態(tài)展現(xiàn)和空間體驗，還能模擬剪切縫合的真本質(zhì)感，對縮短手術(shù)時間、降低并發(fā)癥等都有幫助。不過大多材料不具備外表摩擦力、延展性等復(fù)雜性能的仿真度，也無法在質(zhì)感上模擬脂肪等軟組織，將來材料的進步直接決定了醫(yī)學(xué)三維打印的發(fā)展。軟質(zhì)醫(yī)學(xué)模型材料多為樹脂，例如橡膠類樹脂能制作剪切質(zhì)感令人滿意的動脈及動脈瘤[8],氨基甲酸酯橡膠能夠制造手術(shù)彩排用的心臟[9]等，這些樹脂均為液態(tài)光敏樹脂，由SL或PolyJet技術(shù)打印。有機硅可以用于制作心臟等練習(xí)模型，但相比于直接三維打印技術(shù)，有機硅在間接三維打印中應(yīng)用愈加廣泛，即利用三維打印技術(shù)制作出個性化的模具后，再用有機硅澆鑄成型[10].1.2生物相容材料生物相容材料，是指植入人體后既不會迅速遭到毀壞而影響其發(fā)揮作用，也不會給人體帶來損傷和毒害的材料。假體移植物和生物三維打印的原料均需有良好的生物相容性，可供選擇的材料有如下幾類〔表4〕.1.2.1金屬：鈦和鈦合金因擁有良好的生物相容性、抗腐蝕性、堅固耐用等眾多優(yōu)點，在骨科和整形外科等科室被廣泛用于制作骨移植物，可通太多種三維打印方式方法實現(xiàn)，如3DP、SLS、激光工程化凈成形、電子光束熔煉法等[11].1.2.2磷酸鈣：基于磷酸鈣的化學(xué)物質(zhì)，包括磷酸三鈣[calciumphosphate,Ca3〔PO4〕2]、羥基磷灰石[hydroxyapatite,Ca5〔PO4〕3〔OH〕]、二水磷酸氫鈣粉末〔dicalciumphosphatedihydrate,CaHPO42H2O〕、陶瓷粉末及磷酸鈣骨水泥等，其優(yōu)點在于良好的骨誘導(dǎo)性和足夠的機械強度，是制造人工骨移植物及骨組織工程的理想材料[12-13].以基于磷酸鈣的化學(xué)物質(zhì)粉末為原料，利用3DP技術(shù)噴射黏合劑至相應(yīng)粉末外表，最終成型?？晒┻x擇的黏合劑有聚合物溶液、磷酸溶液、磷酸銨溶液和檸檬酸溶液等[12-13].1.2.3合成聚合物：合成聚合物種類繁多，用于三維打印的聚合物也逐年增加，性能逐步完善，分成可降解類和非可降解類。前者在人體內(nèi)可被降解吸收，如聚己內(nèi)酯、聚氨酯、聚乙醇酸/聚乳酸共聚物等，有制作心臟、心臟瓣膜和骨頭的先例[14];后者包括聚丙烯醇、聚乙二醇和明膠丙烯酸甲酯等，能夠制作骨骼、軟骨、神經(jīng)、體外科研用的支架等[15-16].1.2.4天然材料：用于三維打印的天然材料有明膠、膠原、殼聚糖、纖維蛋白、玻尿酸、角蛋白、瓊脂糖等，材料來源于動物和人體[2].其優(yōu)點在于與細(xì)胞外基質(zhì)〔extracellularmatrix,ECM〕很類似，生物相容性、生物活性好，但是天然材料的供給缺乏，不同批次間性質(zhì)差異大，容易穿插污染[16].2復(fù)合材料與多材料打印復(fù)合材料能在一定程度上彌補單一材料的局限。例如羥基磷灰石粉末與聚丙烯醇粉末混合制成的復(fù)合材料，既解決了生物陶瓷粉末可降解性不佳的問題，又擁有比聚合物材料更好的機械性能和生物相容性，是制作組織工程支架的理想材料[16].從實例中可見，三維打印的成品，尤其是手術(shù)練習(xí)模型及生物三維打印，多是單材料打印的單構(gòu)造。多組織模型，例如有血管附著的顱骨和大腦，多采用三維打印和其他工藝結(jié)合的方式制作，例如在打印出的顱骨上涂抹藍(lán)色和紅色硅膠后凝固成靜脈和動脈[6].另外，個別打印技術(shù)如SLS和PolyJet擁有一次性運用多種材料打印出多組織器官的能力[8,17],例如包含皮膚、顱骨、硬腦膜、腫瘤等多個不同質(zhì)感的組織的腦腫瘤模型，能給神經(jīng)外科醫(yī)生非常真實的模擬訓(xùn)練體驗[17].PolyJet技術(shù)由于能夠同時用兩個噴頭噴射不同材料的液態(tài)微粒，因而能在同一成品中實現(xiàn)材料濃度的梯度，使成品的質(zhì)感呈現(xiàn)一個漸變的狀態(tài)[18].3總結(jié)正因材料的發(fā)展，三維打印已不僅限于在視覺上給人立體的體驗，還能知足質(zhì)感、機械性能甚至生物特性的仿真度，令三維打印成品擁有廣闊的運用前景。硬質(zhì)模型材料是三維打印同時也是醫(yī)學(xué)三維打印使用最早、最廣的材料，不過部分硬質(zhì)材料的局限在于色彩的選擇缺乏。