寶雞石油機械廠生物3D打印技術的發展對材料學的影響有多大?
發表時間:2019-06-03 17:17:05 作者:雕刻機

  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、生長因子、細胞等為主要內容,以重建人體組織和器官為目標,跨學科和領域的新型再生醫學工程技術。
 

  我們可以形象的把生物3D打印的過程比作給細胞搭房子的過程。生物材料相當于磚瓦,生物墨水則相當于混凝土,既能把材料相互粘合,又能為細胞生產提供類體內生長環境,而打印機則是水泥工人,負責將磚瓦與混泥土砌成房子。理論上來說,所有的材料都可以用來打印。對于生物醫藥等領域,打印材料的局限性嚴重阻礙了打印技術的發展。打印材料的瓶頸已經成為研究生物3D打印的重點問題之一。
 

  目前生物3D打印材料的問題主要體現在以下幾點:
 

  1、可適用的材料成熟度趕不上打印市場發展的需求;
 

  2、材料打印流暢度不夠;特種材料強度達不到要求;
 

  3、材料的安全性和環境友好性問題;
 

  4、材料的標準化及系列化管理問題等。
 

  其中研究在生物醫學上應用的材料引人注目,因為這方面的材料難做、費用高。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。
 

  今天就向大家介紹醫用金屬材料與醫用無機非金屬材料,隨著生物3D打印技術的出現,其又發生怎樣了變化呢?
 

  醫用金屬材料 納米結構粉末的出現
 

  目前用于生物3D打印的SAHOD料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金等。西安第四軍醫大學西京骨科醫院打印出與患者鎖骨和肩胛骨完全一致的鈦合金植入假體,并通過手術成功將鈦合金假體植入骨腫瘤患者體內,成為世界范圍內肩胛帶不定形骨重建的應用,標志著個體化金屬骨骼修復技術的進一步成熟。
 

  目前,3D打印技術的難點之一就是使用難熔金屬進行打印,特別是像鎢、鉻、錸這類熔點很高的金屬,更別提納米級粉末顆粒了。多年來,各國的科學家們致力于研究可以實現即有成本效益,又能達到理想性能要求的新工藝。
 

  前些日子,外國科學家開發了一種新技術,一種可以使用3D打印技術創建復雜的納米級金屬結構。這種技術將可以用于各種各樣的應用中,例如在微小的計算機芯片上創建3-D邏輯電路,又例如制造工程超輕型飛機組件,這種工藝能創建具有不同特性的各類新型納米材料。
 

  隨著納米級3D打印技術的出現和發展,納米粉末打印材料成為了研究者們熱議的話題,金屬粉末占據了打印粉末市場的主要位置。先進的納米結構粉末對超細的晶體結構要求高,納米結構粉末可以顯著改善打印成品的物理化學力學性能,這些性能的提升將進一步拓寬其在生物醫學領域的應用。
 

  醫用無機非金屬材料 生物玻璃材料的逆襲
 

  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。其中,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,尤其是形狀或內部結構復雜陶瓷部件需通過模具來成形,而模具加工價格昂貴且開發周期長,難以滿足產品的需求。近年來,針對生物陶瓷制作工藝復雜、成型加工困難的問題,研究者們采用3D打印技術來制備生物陶瓷,并取得了長足的進展。
 

  “絕大多數生物陶瓷都是用于骨和牙齒等硬組織修復,但現在通過生物學效應發現,生物陶瓷還能夠調控細胞,很好地促進創傷愈合,也可以促進其它一些軟組織,包括心肌、皮膚、脂肪的再生,還能夠促進干細胞分化,用于各種不同的軟組織修復。”中科院上海硅酸鹽研究所研究員常江說,“因為很多軟組織創傷的修復都需要血管的生長,如果生物陶瓷材料能夠促進血管的再生,就可以修復更多的軟組織創傷。”
 

  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。研究者曾用生物玻璃材料制備出猴子大腿骨,植入其體內,經一定時間后取出研究,發現再生的猴子骨細胞已長入生物玻璃的網狀結構內,且結合非常緊密;并且經力學實驗測試發現這種人造骨比原骨力學性能更優。
 

  生物3D打印技術帶動材料學發展