淺談3D打印生物陶瓷材料的發展趨勢

張 晨 劉津瑞 梁 虹

(閩江學院，福建 福州 350108)

1 3D打印技術概述

3D打印(Three Dimentional Pinting)又稱增材制造(Additive Manufacturing)技術即快速成型技術的一種 ，是一種以數字模型文件為基礎，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、電子束、加熱頭、光固化等方法將粉末狀金屬、塑料等可粘合材料或細胞、組織等特殊材料，通過逐層打印的方式來構造出物體的技術。

3D打印是相對于傳統機加工等減材制造技術來說的，這類制造工藝不僅不需要借助刀具，就能完成高精度復雜結構的制作，而且極大地縮短產品的研制周期，簡化操作流程。憑借高效節能、節時的優勢，3D打印已經突破了人們熟悉的傳統減材制造的限制，為生物醫藥、航空航天、建筑設計、文物修復、食品工業等領域的創新提供舞臺。

2 3D打印技術發展現狀

2.1 3D打印基本流程

2.1.1 建模

3D建模通俗來講，就是利用三維制作軟件在虛擬三維空間內構建出具有三維數據的模型。目前，建模途徑有很多種，例如，直接從網上下載模型、通過3D掃描儀逆向工程建模，通過3DMax, Maya, CAD(Computer Aided Design)等軟件建模。

2.1.2 切片處理

首先，將設計成功的3D模型切成片層，并設計好打印的路徑(填充密度、角度、外殼等)。其次，切片文件以.gcode格式儲存，即一種3D打印機能直接讀取并使用的文件格式。然后，再通過3D打印機控制軟件，把.gcode文件發送給打印機，并控制3D打印機的參數，運動使其完成打印。

2.1.3 開始打印

啟動3D打印機，通過數據線、SD卡等方式把Gcode格式的打印文件傳送給3D打印機，同時，裝入3D打印材料，調試打印平臺，設定打印參數，然后打印機開始工作，材料逐層打印，層與層之間通過特殊的膠水進行粘合，最終一個完整的3D模型就會呈現在人們眼前。

2.2 常見打印工藝

目前，為了滿足不同打印材料的需求，已經研究出多種3D打印技術，比如，光固化成型技術、電子束選區融化技術、熔融沉積成型技術、選擇性激光燒結技術、分層實體制造技術等，下面對其主要工藝原理及特點進行介紹。

2.2.1 光固化成型技術

光固化成型技術(Stereo Lithigraphy Apparatus，SLA )最早由美國的3D Systerm公司的創始人Clales Hull于20世紀80年代創立并應用于商品化。作為發展較早的3D打印技術之一，光固化快速成型技術目前已較為成熟，且獲得廣泛的應用。其基本原理是以光敏樹脂為材料，通過紫外光照射，選擇性地讓需要成型的液態光敏樹脂發生聚合反應并變硬，逐層固化、堆積成形。其工藝路線為:(1)通過CAD軟件來設計出三維實體模型；(2)利用離散程序將模型切片處理；(3)設計掃描路徑；(4)激光光束通過掃描路徑照射到液態光敏樹脂表面；(5)形成樹脂固化層，成為該模型的一個截面；(6)升降臺下降一個層厚，并對零位液面進行涂覆；(7)重復以上三個步驟，直至所有層面加工完畢，獲得三維模型。

SLA技術對于層厚控制的精度更高，成品表面質量好，而且激光照射點位移速度快，足夠靈活，成型速度快，制造效率高。適用于生產一些結構較為復雜的部件。但由于樹脂固化過程中產生收縮，不可避免地會引起形變。因此，提高光敏材料本身的收縮率，改善力學性能是其發展趨勢。

2.2.2 電子束選區融化技術

電子束選區融化技術(Selective Electron Beam Melting，SEBM)是20世紀90年代中后期發展起來的一種粉末床熔融型3D打印技術，該項打印技術需要在特定的真空環境下進行。其工藝路線為：(1)將設計好的三維模型進行分層處理，得到二維切面；(2)打印機根據設定的程序，在粉末床上方不斷地將金屬粉末進行鋪開掃描；(3)以電子束作為打印過程中的熱源，對鋪好在工作臺上的粉末層進行熔化和固定；(4)一層加工完成后，工作臺下降一個層厚的高度，再進行新一層鋪粉和熔化，直至零件加工完后從真空箱中取出；(5)利用高壓空氣除去表面粉塵，獲得三維模型[1]。

電子束選區融化技術能夠用于制造一些結構復雜、性能優良的金屬部件，但由于特殊的制造環境，使得成形部件尺寸受到束縛。

2.2.3 熔融沉積成型技術

熔融沉積成型技術(Fused Deposition Modeling，FDM)是由美國學者 Dr. Scott Crump 于 1988 年研發出的一種3D打印技術。FDM打印技術基本原理是將熱熔性材料(石蠟、金屬、塑料、低熔點合金)融化后送入噴口，通過擠壓的方式將半流動材料打印至二維平面，待固化之后逐層堆積，完成三維模型打印。其工藝路線為：(1)設計三維模型結構；(2)對模型逐層分析并設置掃描路徑；(3)將熱熔性材料送至噴口；(4)通過設定的計算機程序加熱材料并進行涂覆；(5)冷卻后形成一層截面，噴口上移一個層厚；(6)重復以上步驟，逐層堆積，獲得三維模型。

熔融沉積成型技術由于污染小，回收利用性強，多用于制造小、中型結構簡單部件，同時也存在打印時間長、精度差、無法打印復雜結構等問題。

2.2.4 選擇性激光燒結技術

選擇性激光燒結技術(Selective Laser Sintering，SLS)由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。該項技術基本原理是控制激光束選擇性的掃描燒結每一層截面的粉末，使形成的固化層逐層堆積，最終變為模型。其工藝路線為：(1)利用CAD創建三維模型；(2)對切片進行分析；(3)在設定的制造參數下，激光束有選擇的燒結粉末；(4)形成原型截面層；(5)工作臺下降一個層厚，激光束再次掃描燒結新層；(6)逐層疊加后，在成型缸中緩慢冷卻，獲得三維模型。

選擇性激光燒結技術優點是使用的原材料相當廣泛，任何加熱后擁有粘結性的粉末材料都可以作為成型材料。除此之外，憑借適用性廣、制造工藝簡單、成形精度高、無需支撐結構、可直接燒結金屬零件等諸多優點，成為當前發展最快、最為成功的快速成形技術之一，在現代制造業得到越來越廣泛的重視。

2.2.5 分層實體制造技術

分層實體制造技術(Laminated Object Manufacturing，LOM)的基本原理是，原料以紙張厚度的薄片材料為主(例如，紙、金屬箔、塑料膜)，通過熱熔膠將每層原材料黏附在一起，在打印過程中根據設定程序對每一層截面進行切割，最終形成原型部件。其工藝路線為：(1)構造產品三維模型；(2)分層處理；(3)基底制作；(4)利用激光在每一層紙張截面切割相應輪廓；(5)送料機將新一層紙與切割層一起黏附；(6)逐層切割，獲得三維模型。

分層實體制造技術擁有成本低廉，工藝簡單，成型快速，支撐性強的特點，而且在切割過程中不存在形變的問題。

3 用于3D打印的生物陶瓷材料

生物陶瓷材料(Bioceramics)是指用作特定的生物或生理功能的一類陶瓷材料，即直接用于人體或與人體相關的生物、醫用、生物化學等陶瓷材料。目前，以羥基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)、β- 磷酸三鈣(Tricalciumphosphate，TCP)和生物活性玻璃為代表的生物陶瓷材料應用最廣泛。由于生物陶瓷材料具有良好的生物活性，同時與生物體組織結構和化學組成之間相似，使其在生物醫學工程領域具有巨大發展潛力。

3.1 羥基磷灰石(HA)

羥基磷灰石是人體和動物骨骼中不可缺少的無機成分，在天然骨中含量高達60%，而在牙齒中高達90%。羥基磷灰石生物陶瓷材料對成骨細胞的增殖影響顯著，具有成骨誘導效應。而且其具有良好的生物相容性和骨傳導性，植入體內安全、無毒，是一種治療骨損傷和替代齒骨方面的優良材料。

3.2 β-磷酸三鈣(β-TCP)

TCP分為高溫的α-TCP相和低溫的β-TCP相。β-TCP在體內通過降解釋放出大量的Ca和P來誘導新骨的形成。β-TCP 生物相容性好，植入機體后可與骨直接融合，無任何局部炎性反應及全身毒副作用。除此之外，β-TCP利用3D打印技術搭配其他藥物制備骨組織工程支架，能夠促進成骨細胞的增殖，增強骨傳導性和骨組織的修復能力。Zhou等在3D打印的β-TCP頜骨修復支架的研究中發現，β-TCP三維打印支架具有規則的多孔結構，適合細胞的黏附，新骨形成量高，而且在復合rhBMP-2后可異位成骨[2]。

3.3 生物活性玻璃

生物活性玻璃(bioglass, BG)，是由L.Hench在1971年研制出的一種Na-Ca-Si系玻璃，該種玻璃植入人體后，能與生物環境發生一系列特殊的表面反應，使材料與自然組織形成牢固的化學鍵，進而具有生物活性。其中具有代表性的生物活性玻璃是45S5生物活性玻璃和S53P4生物活性玻璃。另外，隨著研究的發現，其他無極非晶態結構的生物活性玻璃，因與軟組織形成很好的結合，并可促進軟組織的再生，也被認為是一種優異的骨、齒類修復材料。通過3D打印技術制備的介孔生物活性玻璃，其形態更加靈活，尺寸更精準。在搭配抗菌因子使用后，不僅具有誘導成骨的能力，而且可以修復和替代感染或受損的骨組織[3]。

4 3D打印生物陶瓷材料的應用領域

4.1 口腔醫學

近年來，隨著3D打印技術的研究，在口腔醫學領域展開了全面發展，目前主要應用于口腔內牙齒或牙冠修復體、口腔內種植體及口腔內矯正體。運用3D打印生物陶瓷材料原位打印的口腔內模型，能夠避免細菌感染，解決無法完全填充缺損區的問題，而且應用于齒類的支架，精度可以達到微米級。除此之外，植入口腔內的三維模型與口腔內骨骼展現出良好相容性，增強成骨細胞增殖分化，為骨細胞的快速形成提供支撐。

4.2 組織再生

3D打印技術促進組織再生，途徑分為兩種：一是利用3D打印生物支架收集宿主干細胞，在植入人體后，宿主干細胞分化變為成熟細胞，重新填充可降解支架，最終通過沉積形式產生新的細胞外基質；二是生物支架上負載各種細胞因子和化學物質，通過釋放來促進宿主細胞的增殖分化。目前，應用最廣泛的組織再生工程包括：組織氣管再生、神經組織修復、皮膚表皮組織修復、各器官組織修復等，展現出良好的臨床表現。

4.3 骨修復

目前，3D打印在骨骼修復方面的研究最為深入，取得成果也最為顯著。首先，3D打印的生物陶瓷以具有良好的生物力學性能和生物相容性的優勢，在骨修復、骨骼生長等多方面發揮巨大作用。其次，為骨科手術輔助材料進行3D打印，有利于通過打印模型觀察形變骨骼形態結構及異常生長狀況，為制定手術方案提供參考。Geng等利用3D打印多孔HA支架用于修復兔顱骨缺損，結果表明，3D打印支架內部空間逐漸被新生骨代替，新生骨和骨小梁結構樣組織填充在缺損區域內。而且支架能夠復合骨髓間充質干細胞和臍靜脈內皮細胞，進而有效促進骨組織的生長，加快骨缺損修復[4]。

4.4 藥物緩釋載體

緩釋給藥系統是指藥物在體內以非恒速地從制劑中不間斷釋放，延長藥物在體內停留時間，從而更好發揮藥效作用，減少藥物不良反應的一類給藥系統。3D打印的生物陶瓷材料作為植入體內的藥物緩釋載體，通過控制表面微觀結構和材料屬性，使載體以不同程度的降解速度實現持續高效給藥，而且改變了傳統口服緩釋片劑無法直接對病源給藥的問題。除此之外，3D打印的藥物緩釋載體在維持體內藥物濃度平衡，避免全身用藥導致的藥物毒性起到關鍵作用。Zheng等研究3D打印β-TCP負載PLGA抗結核藥物緩釋微球復合材料進行表征測試，利用PCR測定骨鈣素(osteocalcin, OCN)和骨涎蛋白(bone sialoprotein, BSP)的表達，結果表明隨培養時間延長，3D打印β-TCP復合材料的OCN和BSP基因相對表達量均呈逐漸增加趨勢，且對SD大鼠的BMSCs無明顯細胞毒性[5]。

5 未來展望

3D打印生物陶瓷材料在醫學工程領域已經被廣泛關注。目前，3D打印在多數骨缺損的臨床應用中展現出良好的醫療效果，但在頜面修復、口腔病治療、種植牙維護等領域的應用方面仍存在困難。而且針對支架與活細胞和生長因子或生物聚合物的集成打印，以及在制造過程中的納米尺度控制仍需大量深入研究。希望未來通過多學科交叉應用，克服3D打印材料固有的力學缺陷，創造新型打印工藝，使3D打印這項技術在口腔醫療、再生醫學、骨骼醫學、緩釋載體方面發揮更大作用，產生更大的實際價值。