淺談3D打印生物陶瓷材料的發(fā)展趨勢(shì)

張 晨 劉津瑞 梁 虹

(閩江學(xué)院，福建 福州 350108)

1 3D打印技術(shù)概述

3D打印(Three Dimentional Pinting)又稱增材制造(Additive Manufacturing)技術(shù)即快速成型技術(shù)的一種 ，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，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(xì)胞、組織等特殊材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造出物體的技術(shù)。

3D打印是相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)加工等減材制造技術(shù)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的制作，而且極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，簡(jiǎn)化操作流程。憑借高效節(jié)能、節(jié)時(shí)的優(yōu)勢(shì)，3D打印已經(jīng)突破了人們熟悉的傳統(tǒng)減材制造的限制，為生物醫(yī)藥、航空航天、建筑設(shè)計(jì)、文物修復(fù)、食品工業(yè)等領(lǐng)域的創(chuàng)新提供舞臺(tái)。

2 3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)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(nèi)構(gòu)建出具有三維數(shù)據(jù)的模型。目前，建模途徑有很多種，例如，直接從網(wǎng)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(shè)計(jì)成功的3D模型切成片層，并設(shè)計(jì)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(chǔ)存，即一種3D打印機(jī)能直接讀取并使用的文件格式。然后，再通過3D打印機(jī)控制軟件，把.gcode文件發(fā)送給打印機(jī)，并控制3D打印機(jī)的參數(shù)，運(yùn)動(dòng)使其完成打印。

2.1.3 開始打印

啟動(dòng)3D打印機(jī)，通過數(shù)據(jù)線、SD卡等方式把Gcode格式的打印文件傳送給3D打印機(jī)，同時(shí)，裝入3D打印材料，調(diào)試打印平臺(tái)，設(shè)定打印參數(shù)，然后打印機(jī)開始工作，材料逐層打印，層與層之間通過特殊的膠水進(jìn)行粘合，最終一個(gè)完整的3D模型就會(huì)呈現(xiàn)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(jīng)研究出多種3D打印技術(shù)，比如，光固化成型技術(shù)、電子束選區(qū)融化技術(shù)、熔融沉積成型技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、分層實(shí)體制造技術(shù)等，下面對(duì)其主要工藝原理及特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

2.2.1 光固化成型技術(shù)

光固化成型技術(shù)(Stereo Lithigraphy Apparatus，SLA )最早由美國(guó)的3D Systerm公司的創(chuàng)始人Clales Hull于20世紀(jì)80年代創(chuàng)立并應(yīng)用于商品化。作為發(fā)展較早的3D打印技術(shù)之一，光固化快速成型技術(shù)目前已較為成熟，且獲得廣泛的應(yīng)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(tài)光敏樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)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(shè)計(jì)出三維實(shí)體模型；(2)利用離散程序?qū)⒛Ｐ颓衅幚恚?3)設(shè)計(jì)掃描路徑；(4)激光光束通過掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹脂表面；(5)形成樹脂固化層，成為該模型的一個(gè)截面；(6)升降臺(tái)下降一個(gè)層厚，并對(duì)零位液面進(jìn)行涂覆；(7)重復(fù)以上三個(gè)步驟，直至所有層面加工完畢，獲得三維模型。

SLA技術(shù)對(duì)于層厚控制的精度更高，成品表面質(zhì)量好，而且激光照射點(diǎn)位移速度快，足夠靈活，成型速度快，制造效率高。適用于生產(chǎn)一些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的部件。但由于樹脂固化過程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會(huì)引起形變。因此，提高光敏材料本身的收縮率，改善力學(xué)性能是其發(fā)展趨勢(shì)。

2.2.2 電子束選區(qū)融化技術(shù)

電子束選區(qū)融化技術(shù)(Selective Electron Beam Melting，SEBM)是20世紀(jì)90年代中后期發(fā)展起來的一種粉末床熔融型3D打印技術(shù)，該項(xiàng)打印技術(shù)需要在特定的真空環(huán)境下進(jìn)行。其工藝路線為：(1)將設(shè)計(jì)好的三維模型進(jìn)行分層處理，得到二維切面；(2)打印機(jī)根據(jù)設(shè)定的程序，在粉末床上方不斷地將金屬粉末進(jìn)行鋪開掃描；(3)以電子束作為打印過程中的熱源，對(duì)鋪好在工作臺(tái)上的粉末層進(jìn)行熔化和固定；(4)一層加工完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚的高度，再進(jìn)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(qū)融化技術(shù)能夠用于制造一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能優(yōu)良的金屬部件，但由于特殊的制造環(huán)境，使得成形部件尺寸受到束縛。

2.2.3 熔融沉積成型技術(shù)

熔融沉積成型技術(shù)(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)是由美國(guó)學(xué)者 Dr. Scott Crump 于 1988 年研發(fā)出的一種3D打印技術(shù)。FDM打印技術(shù)基本原理是將熱熔性材料(石蠟、金屬、塑料、低熔點(diǎn)合金)融化后送入噴口，通過擠壓的方式將半流動(dòng)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(shè)計(jì)三維模型結(jié)構(gòu)；(2)對(duì)模型逐層分析并設(shè)置掃描路徑；(3)將熱熔性材料送至噴口；(4)通過設(shè)定的計(jì)算機(jī)程序加熱材料并進(jìn)行涂覆；(5)冷卻后形成一層截面，噴口上移一個(gè)層厚；(6)重復(fù)以上步驟，逐層堆積，獲得三維模型。

熔融沉積成型技術(shù)由于污染小，回收利用性強(qiáng)，多用于制造小、中型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單部件，同時(shí)也存在打印時(shí)間長(zhǎng)、精度差、無法打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)等問題。

2.2.4 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(Selective Laser Sintering，SLS)由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。該項(xiàng)技術(shù)基本原理是控制激光束選擇性的掃描燒結(jié)每一層截面的粉末，使形成的固化層逐層堆積，最終變?yōu)槟Ｐ?。其工藝路線為：(1)利用CAD創(chuàng)建三維模型；(2)對(duì)切片進(jìn)行分析；(3)在設(shè)定的制造參數(shù)下，激光束有選擇的燒結(jié)粉末；(4)形成原型截面層；(5)工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，激光束再次掃描燒結(jié)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(jié)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是使用的原材料相當(dāng)廣泛，任何加熱后擁有粘結(jié)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(jiǎn)單、成形精度高、無需支撐結(jié)構(gòu)、可直接燒結(jié)金屬零件等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前發(fā)展最快、最為成功的快速成形技術(shù)之一，在現(xiàn)代制造業(yè)得到越來越廣泛的重視。

2.2.5 分層實(shí)體制造技術(shù)

分層實(shí)體制造技術(shù)(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(jù)設(shè)定程序?qū)γ恳粚咏孛孢M(jìn)行切割，最終形成原型部件。其工藝路線為：(1)構(gòu)造產(chǎn)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(yīng)輪廓；(5)送料機(jī)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(shí)體制造技術(shù)擁有成本低廉，工藝簡(jiǎn)單，成型快速，支撐性強(qiáng)的特點(diǎn)，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(guān)的生物、醫(yī)用、生物化學(xué)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(yīng)用最廣泛。由于生物陶瓷材料具有良好的生物活性，同時(shí)與生物體組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成之間相似，使其在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域具有巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.1 羥基磷灰石(HA)

羥基磷灰石是人體和動(dòng)物骨骼中不可缺少的無機(jī)成分，在天然骨中含量高達(dá)60%，而在牙齒中高達(dá)90%。羥基磷灰石生物陶瓷材料對(duì)成骨細(xì)胞的增殖影響顯著，具有成骨誘導(dǎo)效應(yīng)。而且其具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性，植入體內(nèi)安全、無毒，是一種治療骨損傷和替代齒骨方面的優(yōu)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(nèi)通過降解釋放出大量的Ca和P來誘導(dǎo)新骨的形成。β-TCP 生物相容性好，植入機(jī)體后可與骨直接融合，無任何局部炎性反應(yīng)及全身毒副作用。除此之外，β-TCP利用3D打印技術(shù)搭配其他藥物制備骨組織工程支架，能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖，增強(qiáng)骨傳導(dǎo)性和骨組織的修復(fù)能力。Zhou等在3D打印的β-TCP頜骨修復(fù)支架的研究中發(fā)現(xiàn)，β-TCP三維打印支架具有規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)，適合細(xì)胞的黏附，新骨形成量高，而且在復(fù)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(huán)境發(fā)生一系列特殊的表面反應(yīng)，使材料與自然組織形成牢固的化學(xué)鍵，進(jìn)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(fā)現(xiàn)，其他無極非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的生物活性玻璃，因與軟組織形成很好的結(jié)合，并可促進(jìn)軟組織的再生，也被認(rèn)為是一種優(yōu)異的骨、齒類修復(fù)材料。通過3D打印技術(shù)制備的介孔生物活性玻璃，其形態(tài)更加靈活，尺寸更精準(zhǔn)。在搭配抗菌因子使用后，不僅具有誘導(dǎo)成骨的能力，而且可以修復(fù)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(yīng)用領(lǐng)域

4.1 口腔醫(yī)學(xué)

近年來，隨著3D打印技術(shù)的研究，在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展開了全面發(fā)展，目前主要應(yīng)用于口腔內(nèi)牙齒或牙冠修復(fù)體、口腔內(nèi)種植體及口腔內(nèi)矯正體。運(yùn)用3D打印生物陶瓷材料原位打印的口腔內(nèi)模型，能夠避免細(xì)菌感染，解決無法完全填充缺損區(qū)的問題，而且應(yīng)用于齒類的支架，精度可以達(dá)到微米級(jí)。除此之外，植入口腔內(nèi)的三維模型與口腔內(nèi)骨骼展現(xiàn)出良好相容性，增強(qiáng)成骨細(xì)胞增殖分化，為骨細(xì)胞的快速形成提供支撐。

4.2 組織再生

3D打印技術(shù)促進(jìn)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(xì)胞，在植入人體后，宿主干細(xì)胞分化變?yōu)槌墒旒?xì)胞，重新填充可降解支架，最終通過沉積形式產(chǎn)生新的細(xì)胞外基質(zhì)；二是生物支架上負(fù)載各種細(xì)胞因子和化學(xué)物質(zhì)，通過釋放來促進(jìn)宿主細(xì)胞的增殖分化。目前，應(yīng)用最廣泛的組織再生工程包括：組織氣管再生、神經(jīng)組織修復(fù)、皮膚表皮組織修復(fù)、各器官組織修復(fù)等，展現(xiàn)出良好的臨床表現(xiàn)。

4.3 骨修復(fù)

目前，3D打印在骨骼修復(fù)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(xué)性能和生物相容性的優(yōu)勢(shì)，在骨修復(fù)、骨骼生長(zhǎng)等多方面發(fā)揮巨大作用。其次，為骨科手術(shù)輔助材料進(jìn)行3D打印，有利于通過打印模型觀察形變骨骼形態(tài)結(jié)構(gòu)及異常生長(zhǎng)狀況，為制定手術(shù)方案提供參考。Geng等利用3D打印多孔HA支架用于修復(fù)兔顱骨缺損，結(jié)果表明，3D打印支架內(nèi)部空間逐漸被新生骨代替，新生骨和骨小梁結(jié)構(gòu)樣組織填充在缺損區(qū)域內(nèi)。而且支架能夠復(fù)合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞，進(jìn)而有效促進(jìn)骨組織的生長(zhǎng)，加快骨缺損修復(fù)[4]。

4.4 藥物緩釋載體

緩釋給藥系統(tǒng)是指藥物在體內(nèi)以非恒速地從制劑中不間斷釋放，延長(zhǎng)藥物在體內(nèi)停留時(shí)間，從而更好發(fā)揮藥效作用，減少藥物不良反應(yīng)的一類給藥系統(tǒng)。3D打印的生物陶瓷材料作為植入體內(nèi)的藥物緩釋載體，通過控制表面微觀結(jié)構(gòu)和材料屬性，使載體以不同程度的降解速度實(shí)現(xiàn)持續(xù)高效給藥，而且改變了傳統(tǒng)口服緩釋片劑無法直接對(duì)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(nèi)藥物濃度平衡，避免全身用藥導(dǎo)致的藥物毒性起到關(guān)鍵作用。Zheng等研究3D打印β-TCP負(fù)載PLGA抗結(jié)核藥物緩釋微球復(fù)合材料進(jìn)行表征測(cè)試，利用PCR測(cè)定骨鈣素(osteocalcin, OCN)和骨涎蛋白(bone sialoprotein, BSP)的表達(dá)，結(jié)果表明隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，3D打印β-TCP復(fù)合材料的OCN和BSP基因相對(duì)表達(dá)量均呈逐漸增加趨勢(shì)，且對(duì)SD大鼠的BMSCs無明顯細(xì)胞毒性[5]。

5 未來展望

3D打印生物陶瓷材料在醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛關(guān)注。目前，3D打印在多數(shù)骨缺損的臨床應(yīng)用中展現(xiàn)出良好的醫(yī)療效果，但在頜面修復(fù)、口腔病治療、種植牙維護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用方面仍存在困難。而且針對(duì)支架與活細(xì)胞和生長(zhǎng)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(xué)科交叉應(yīng)用，克服3D打印材料固有的力學(xué)缺陷，創(chuàng)造新型打印工藝，使3D打印這項(xiàng)技術(shù)在口腔醫(yī)療、再生醫(yī)學(xué)、骨骼醫(yī)學(xué)、緩釋載體方面發(fā)揮更大作用，產(chǎn)生更大的實(shí)際價(jià)值。