計算機技術在醫用材料領域中的應用

張楊

摘要：隨著科學技術的迅猛發展，3D打印技術目前受到科學界和醫學界廣泛的關注。3D打印技術能夠根據預先設計建立的物樣模型，通過數字識別與分析技術，將設計的物樣打印出來，像醫學中的人造骨骼、牙齒、器官等都可以通過3D打印技術打印出來，這將給生物醫學領域帶來極大的便利。然而，3D打印技術在醫學中最大的應用瓶頸就是打印材料，就當前的發展情況而言，可用于醫學3D打印的材料種類主要有金屬、陶瓷、高分子聚合物、生物墨水等，其特點是分布范圍較廣，但是種類極少，相對稀缺。本文將圍繞“計算機技術在醫用材料領域中的應用”這一話題，詳細分析了3D打印技術在醫用金屬材料、醫用無機非金屬材料、醫用高分子材料、復合生物材料等方面的具體應用情況。

關鍵詞：計算機技術;醫用材料;3D打印技術

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）10-0079-04

3D打印技術是近幾年來一項偉大的發明技術，它是一種同時集計算機、數字控制及自動化技術、光、電、機械、材料為一體的先進制造技術，目前已經在航空航天、軍工、醫學、建筑、電子數碼等多個領域得到廣泛應用。實際上，從理論上來講，所有的材料都可以用于3D打印，但由于打印產品的性能要求不同，打印材料的局限性嚴重阻礙了打印技術的發展，這已成為當前推廣普及3D打印技術的瓶頸。其中研究在生物醫學上應用的材料最引人注目，因為這方面的材料最難做、費用最高。并且還要考慮到材料的強度、安全性、生物相容性、組織工程材料的可降解性等問題。

13D打印技術在醫用金屬材料中的應用

一直以來，3D打印技術在打印材料的選擇上更多地還是以塑料為主。金屬材料較之于塑料，其力學強度、導電性能、導熱性能、延展性能以及生物相容性會更好，因而在生物硬組織修復方面，金屬材料具有天然的優越性能。關于3D打印技術在醫用金屬材料中的應用，本文將著重闡述三部分內容，即：Sahod打印材料、液態金屬Ga67In20.5Sn12.5合金材料（熔點約為11℃）。Sahod打印材料主要包括鈦合金、鋁合金、鈷鉻合金、不銹鋼材料。第四軍醫大學利用3D打印技術打印了與患者鎖骨和肩胛骨完全相同的鈦合金植入假體，其功能和外形得到了醫生高度認可，并且與人體骨骼的匹配性和相容性也更好，這為推進3D打印金屬材料骨骼修復技術的進一步成熟應用做出了巨大的貢獻。中國科學院理化技術研究所以液態金屬Ga67In20.5Sn12.5為打印材料，在生命體組織內部成功打印出了3D液態金屬RFID天線。他們首先用微注射器將與生物體相容性良好的封裝材料注入目標組織中，待其形成固化結構后，再將導電金屬墨水和配套的微/納尺度器件順次注射，最終在人體生物組織中成功植人預設的目標電子裝置。此項技術巧妙地融合了臨床醫學中的微創手術技術，具有高適應性、高適形性、低成本等優點，在植人式生物醫用電子技術領域具有十分廣闊的應用前景。近幾年來，以納米級金屬粉末為原料通過3D打印技術打印醫用產品備受關注。實踐表明，納米金屬粉末作原料打印出的醫用材料能夠顯著提升或改善成品的理化性能。最大的問題是納米金屬粉末材料加工技術水平局限性過大、生產效率太低、制造成本很高，這嚴重制約了其產業化和商業化發展。

23D打印技術在醫用無機非金屬領域中的應用

3D打印技術在醫用上有著重要的應用，特別是無機非金屬領域上，當前無機非金屬主要在生物陶瓷、玻璃等領域上有著重要的應用。本文重點介紹3D打印技術制造生物陶瓷和生物玻璃。生物陶瓷因其具備高強度、高硬度、耐高溫、質輕、抗腐蝕性能好等特點，目前已經廣泛地用于制造人造骨骼、假體矯形等醫學領域。在加工制造生物陶瓷的過程中，由于其自身具有硬而脆的特點，導致生物陶瓷很容易碎裂，特別是一些內部結構復雜的生物陶瓷材料，其加工加工難度十分巨大。針對生物陶瓷制作工藝復雜、成型加工困難的問題，人們提出采用先進的3D打印技術來加工制作內部結構復雜的生物陶瓷。就當前的發展情況來看，使用較多的生物陶瓷打印原料有磷酸鈣、磷酸二正硅酸鈣、雙相磷酸鈣、硅酸鈣/β-磷酸三鈣等。例如，通過3D技術所打印出來的生物陶瓷支架，在實際應用當中，可以起到促進人體細胞的成骨性分化作用。而且通過相關的研究，證實主材料為羥基磷灰石所打印出來的3D人體組織支架，可以起到促進人體神經鞘干細胞往成骨細胞方向分化。而且，在實際應用當中，如果β-磷酸三鈣含量在不斷增加，人體組織支架中的硅元素的釋放量也會不斷增多，從而更好地促進成骨細胞的分化。再如，用3D打印技術制作的生物陶瓷材料還可以用在醫學美容整形上，這大大簡化了醫學美容整形的操作步驟，使之能夠實現一次性精確整形。除此之外，由于3D技術適用范圍廣，技術操作靈活，能夠更好地滿足不同用戶的差異性需求，并且獲得良好的反響。

與生物陶瓷一樣，生物玻璃3D打印技術也是當前醫用材料領域研究的熱門話題。生物玻璃屬于一種混合物，主要包含的物質比較多，比如有鈉元素、硅元素、鈣元素以及磷元素等，而且生物玻璃內部內置主要是硅酸鹽，而且分子的排列是無規則的。生物玻璃中所蘊含的物質離子，在一定的條件下，可以生成復合物，比如生物玻璃中的離子在一定的化學反應條件下，可以通過化學反應形成含有羥基磷酸鈣的復合物，仿生性能很高，因而常用來作為生物骨組織中主要的無機成分。生物玻璃材料與生物骨組織的相容性很好，生物玻璃內部特有的網狀結構有助于誘導骨組織的再生。此外，對用生物玻璃為材料經3D打印技術打印出的人造骨骼進行力學性能分析，發現其骨骼強度及脆度均比人體原骨骼性能優。

33D打印技術打印醫用高分子材料

3D打印技術打印醫用高分子材料大體上經歷了三個主要的發展階段。第一階段是直接利用已經合成好的高分子聚合物作為打印材料;第二階段是從有機物單體加聚反應、縮聚反應的層面在分子水平上設計出具有特殊性能要求的有機高分子聚合物材料;第三是尋找能夠主動誘導、刺激人體損傷組織再生修復的生物活性材料，這也是當前研發3D打印高分子材料技術所面臨的主要難題。當前在醫用高分子材料中應用的3D打印基礎主要有兩種模式，分別是熔融沉積打印模式和紫外光固化打印模式。其中，熔融沉積打印模式主要是針對熱速性能比較好的高分子材料，比如聚乳酸高分子材料。紫外光固化打印多采用液體光敏合成樹脂，這是一種復雜的混合物材料，內含單體、預聚體、固化劑、稀釋劑等，這些物質含量的多少都會直接影響到最終打印產品的性能。因為使用3D技術所打印出來的人體組織支架，能夠對支架的形狀、尺寸以及孔結構等進行控制和調整，所以和傳統的人體組織支架相比，3D打印技術打印出來的人體組織支架具有更多的優勢。例如，Paulius Danilevi.cius等人采用激光三維打印技術制備了具有三維結構的多孔PLA支架，并研究了支架的孔隙率對活體細胞生長、繁殖、粘附作用的影響。通過打印不同孔隙率的PLA支架，并對各自的性能進行比較分析，最終找到最適合作為生物組織支架的三維多孔PLA模型。

43D打印技術打印復合生物材料

復合材料指的是由兩種及兩種以上具有不同物理性質和化學性質的材料復合而成的材料。復合材料包括基體和增強體兩部分，基體通常是連續相的，增強體通常是分散相的。復合材料能夠同時兼具其組分材料的性能優勢，被廣泛地應用在在人工組織器官制造、修復理療、診斷、醫療保健等方面。以復合材料為加工原料進行3D打印加工處理，其最大的優勢就是各個組成部分相互彌補、取長補短。Falguni Pati等人在進行3D脂肪組織支架工程的研究過程中分別做了以下兩種實驗：第一組用PCL為框架，通過3D打印在PCL框架內部打印出具有固定形狀和孔洞的三維脫細胞脂肪支架;第二組直接用脫細胞脂肪組織為載體，在載體上負載目標細胞后制成凝膠，然后用3D打印技術將制備好的凝膠打印在PLC框架內。最后將兩組實驗中打印好的脂肪組織支架植人實驗小鼠體內，最終的實驗結果表明，第二組實驗各項評價指標測試結果均優于第一組實驗。一方面，這說明3D打印復合材料實用性很好，能滿足多種材料打印要求;另一方面，上述對照實驗說明通過3D打印技術能夠實現多種材料復合打印，使復合材料中的各個組成部分相輔相成，集中體現了各個組分材料的性能優勢。除此之外，運用3D技術打印復合材料還具有很好的可調性。如果使用單一組分的材料或合金材料打印醫用材料，受材料組分的影響，最終的產品效果性能往往較為單一，因而適用范圍較小。復合材料由于能夠調節其基體、增強體的數量、種類、配比、復合條件，對于完善彌補單一組分材料性能上的局限性大有裨益。

5細胞參與的生物3D打印材料

經過大量前期重復性實驗，科學家們發現將生物活體細胞與3D打印支架共同培養，生物活體細胞能夠在多種3D打印支架上大量存活，并且能夠延續原有的正常生物活性，并且活體細胞的成活效果相對于普通的二維培養效果要好的多。以上文提到的3D打印技術打印的PCL支架為例，將生物活體細胞與PCL支架混同培養，共同制成“生物墨水”，從而可以打印出臨床上所需的生物組織材料。但是，受當前相關技術水平的限制，當前的生物細胞與材料混合打印技術準確來講應該稱之為“非直接細胞參與的生物3D打印”。實際上，細胞直接參與的生物3D打印是一門綜合性很強的多學科交叉技術，涉及到生物醫學、計算機科學與技術、網絡工程技術、分子生物學、化學生物學等多門學科，且上述學科大都是同時涵蓋多門基礎學科的交叉性學科。目前，在細胞參與的生物3D打印材料的選擇上，研究的熱點聚焦在“水凝膠”上。什么是“水凝膠”呢？原來，水凝膠是一種新型生物醫用材料，它是由具有生物交聯網絡結構的高聚物和介質共同組成的多元體系。醫學臨床上常用的水凝膠由于其理化組成近似于生物細胞外基質，故而其生物相容性很好。因為醫用水凝膠對于生物細胞的粘附能力不強，所以當細胞和醫用水凝膠混合之后，所以醫用水凝膠也不會對生物細胞造成影響，從而保證生物細胞的正常活性。相反，以醫用水凝膠為外包物，一方面能夠為生物活體細胞的正常生命活動提供代謝環境和生長空間，另一方面，也能夠有效地防止生物活體細胞遭到外界環境的影響。在實際的應用過程中，是將醫用水凝膠、生物交聯劑、生物活體細胞三者互相混合后，做成“生物墨水”，以此為原材料進行打印。例如，美國康奈爾大學將I型膠原蛋白水凝膠與牛耳活細胞組成的“生物墨水”，通過3D打印技術來將人體的耳廓成功地打印出來，通過3D打印技術所打印出來的人造耳廓和正常耳廓不管是在外形上還是功能上都有著很大的相似度，所以將3D打印技術打印出來的人造耳廓植入人體之后，能夠和人體機體之間呈現出良好的生物相容性，保證人體生命體征的正常性和穩定性。另一種則是取出患者的部分肋軟骨雕刻出新的耳廓。該項實驗的成功使人們意識到，可以將患者的人耳細胞與I型膠原蛋白水凝膠混合作為“生物墨水”，從而打印出能夠與患者人體相容性很好的生物細胞，并進行移植。此項技術將會引發醫療整形行業未來的一場技術性革命。

63D打印技術在醫用材料領域應用未來展望及趨勢分析

綜合以上所述，3D打印技術目前已經成為醫用材料領域中的應用及研發熱門技術，其應用效果也日益明顯。這主要源于以下三點原因：①3D打印技術克服了醫學中生物組織損壞和人體器官衰竭的困難。運用3D打印技術能夠為每一位患者打印出專屬的人體移植器官，這實際上相當于為每一個人都建造了一套屬于自己的組織器官儲備庫。②在表皮修復和醫學美容技術上，3D應用技術的應用水平也將進一步提高。隨著3D打印技術打印精度的材料適應性的進一步提升，人體各部位的修整與融合技術會日臻完美。③3D打印技術廣泛地應用于醫用器材及醫學用品打印上，像呼吸導管、手術工具、內組織修復工具等。通過加強3D打印技術在醫用材料領域上的應用，不僅可以減少獲取醫療用品的時間，還能夠有效地簡化用品的獲取換屆，從而有效地解決當前存在存在的醫療用品補助的問題。未來3D打印技術在醫用材料領域上有著重要的應用，筆者認為，當前應當加強3D打印技術在生物材料的應用上，通過3D打印技術所打印出來的生物材料，在處理前后存在較多問題，比如收縮率大，材料中的添加劑對生物體有害等。因此，要研發更多的理化改性技術，提高生物打印材料的性能，研發出更多性能優異、穩定性好、生物相容性高的打印材料。

信息時代下，計算機應用技術及互聯網應用技術正逐步滲透到社會各行各業，深刻的改變著社會生產和居民的日常生活。對于醫用材料而言，3D打印技術的成熟和推廣對其帶來了革命性變化，這既是機遇也是挑戰。一方面，3D打印技術在產品打印上的技術局限性小，能夠根據醫學上的臨床需要，打印出性能優良、生物相容性高的生物產品。另一方面，3D打印技術在醫用材料上的要求門檻比較高，這在一定程度上限制了其應用推廣。但毋庸置疑的是3D打印技術在未來必將有著十分廣闊的前景。