使用2D、3D 和4D 增材制造材料開發(fā)生物植入物

劉果，何云虎，劉朋超，陳舟，陳緒梁，萬鐳，李瑩，呂堅(jiān),,c,d,*

a Department of Mechanical Engineering, City University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China

b Centre for Advanced Structural Materials, City University of Hong Kong Shenzhen Research Institute, Greater Bay Joint Division, Shenyang National Laboratory for Materials Science, Shenzhen 518057, China

c Hong Kong Branch of National Precious Metals Material Engineering Research Center (NPMM), City University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China

d CityU-Shenzhen Futian Research Institute, Shenzhen 518045, China

生物植入物主要用于醫(yī)學(xué)或臨床治療，如多孔骨植入物、假體、可穿戴生物傳感器和藥物輸送系統(tǒng)。通常情況下它們會被植入人體超過30天[1]。它們旨在通過整合人體、材料特性和生物植入物的完整性來固定、支撐、再生或改善人體組織的功能。近年來，由于人口老齡化[2]和醫(yī)療領(lǐng)域供體器官的短缺[3]，人類對生物植入物的需求已大大增加。隨著生物材料領(lǐng)域的研究和發(fā)展[4]，各種生物植入物，如腦/神經(jīng)植入物[5]、骨/軟骨植入物[6]、牙科植入物[7]和其他結(jié)構(gòu)植入物已經(jīng)得到開發(fā)。正確選擇生物材料、制造方法[8]、表面處理[9]和生物學(xué)評估[5-8]是生物植入物應(yīng)用所面臨的主要挑戰(zhàn)。

根據(jù)植入物中細(xì)胞成分?jǐn)?shù)量的差異[3]，將植入物分為生物植入物、生物標(biāo)記植入物和生物功能植入物[10]。生物植入物是以自然生物材料（如細(xì)胞蛋白）為打印材料，通過生物打印制備得到的。它們通常包含兩個(gè)關(guān)鍵組成部分：包含活細(xì)胞的生物打印過程和可生物降解的支架/基質(zhì)材料（如水凝膠）。迄今為止，盡管生物打印已被公認(rèn)為一種強(qiáng)大的潛在制造技術(shù)，但通過該技術(shù)制備的生物植入物仍不能用于人體。生物標(biāo)記植入物是以細(xì)胞成分和不可生物降解的生物惰性材料為原料。生物惰性材料包括不銹鋼（SS, 316L）、鉭、金、鈷-鉻（Co-Cr）合金、鈦（Ti）和鎳鈦合金，它們廣泛用于制備生物標(biāo)記植入物[11]。生物功能植入物是指經(jīng)過表面處理的植入物。通過適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚恚踩胛镌谥踩牒罂僧a(chǎn)生生物活性表面，從而有利于細(xì)胞附著和增殖。細(xì)胞黏附生物材料并且在其表面良好增殖，這是組織工程能夠成功的關(guān)鍵前提。

與減材制造不同，增材制造（AM）技術(shù)是將材料逐層打印到基板上[3]，它為制備具有復(fù)雜幾何形狀和有定制要求的生物植入物提供了更好的解決方法。最近，兩篇有關(guān)組織/器官3D生物打印的論文發(fā)表于Science?；趹腋∷z支撐的打印環(huán)境，Lee等[12]提出了一種多尺度人類心臟組織的打印方法。Grigoryan等[13]以光聚合水凝膠為原料，打印制備了肺泡模型的血管內(nèi)和多血管結(jié)構(gòu)，該模型還被用于嚙齒動物的慢性肝損傷的治療研究。目前，熔融沉積成型（FDM）、選擇性激光熔化（SLM）、立體光刻（SLA）和其他增材制造技術(shù)[14]已成功用于制造生物植入物，包括皮質(zhì)骨[15]、顱骨[16]、軟骨[17]，以及手術(shù)工具[18]。但是，目前的打印方法仍存在一些缺點(diǎn)，比如需要后處理、高昂的成本以及有限的可打印材料[3]。因此，必須開發(fā)新的打印方法和材料來克服這些局限性。

本文綜述了用于生物植入物的二維（2D）和三維（3D）AM材料。此外，采用新型陶瓷墨水作為四維（4D）AM材料，成功制備了硬質(zhì)和軟質(zhì)生物植入物，并實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)模型中將軟質(zhì)和硬質(zhì)部分組合在一起。在制備由多種機(jī)械模塊組合而成的不同部分的生物植入物（如膝關(guān)節(jié)和椎骨植入物）的過程中，這類新型陶瓷墨水顯示出巨大的潛力。

2. 用于生物植入物的2D AM 材料

2D AM是一種通過涂層或其他表面處理技術(shù)將材料施加到物體表面的技術(shù)。如圖1 [19-22]所示，2D AM材料被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。腐蝕性能、出色的機(jī)械性能和生物相容性是生物植入物能夠在人體內(nèi)部流體環(huán)境中運(yùn)行的重要前提[23]。表面的化學(xué)和物理形貌對生物植入物的性能起著至關(guān)重要的作用[9]。各種涂層和表面處理方法[8]，包括等離子噴涂、濺射涂層和離子束輔助沉積等，已被用于優(yōu)化生物材料（如生物陶瓷、生物玻璃、生物聚合物和金屬合金[5,8,9,23]）的機(jī)械性能、生物功能性和生物相容性，從而提高生物植入物或其他醫(yī)療設(shè)備的性能。可生物降解的鎂（Mg）[24]和鈦（Ti）合金[25,26]是典型的生物植入物材料，這得益于它們長期的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機(jī)械耐久性[24-27]。近年來，上述金屬合金生物材料上的涂層已成為許多研究的主題，包括鎂合金（AZ91）表面上的脈沖電勢磷酸鈣涂層[28]和鎂-鈣（Mg-Ca）合金表面上的羥基磷灰石（HAp）超薄涂層[29]。在模擬體液內(nèi)部環(huán)境的過程中，兩種涂層材料的性能均優(yōu)于未涂層的材料。另外，通過磁控濺射方法在商業(yè)純度（CP）-Ti基板上制備Ti合金膜，可以增強(qiáng)其耐腐蝕性[30]。

研究表明，生物植入物中的鎂可以促進(jìn)成骨細(xì)胞分化并加快大鼠骨折愈合[19]。據(jù)報(bào)道，已有研究采用磁控濺射方法開發(fā)了超納米級的雙相鎂合金，該合金在環(huán)境溫度下表現(xiàn)出接近理想的強(qiáng)度[20]。作為可生物降解植入物的涂層，這種超納米尺寸的鎂合金具有很大的制造潛力，可用于改善植入物的耐磨性和成骨誘導(dǎo)分化能力。

天然和合成聚合物被廣泛用作制造再生醫(yī)學(xué)和組織工程領(lǐng)域的支架或生物植入物[31,32]。聚合物涂層還可以改善生物植入物的生物相容性和生物功能性。植入物的聚合物涂層已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，例如，涂有聚合物的支架可以緩慢釋放抗動脈狹窄藥物[33]。此外，據(jù)報(bào)道，可生物降解的彈性體聚氨酯能夠用作基于鎂的可降解血管支架的藥物洗脫涂層[21]。

除了在生物植入物方面的性能外，在組織工程和細(xì)胞治療領(lǐng)域[34,35]，涂層也具有作為智能微型機(jī)器人[36,37]的巨大潛力。據(jù)報(bào)道，由光刻膠SU-8制成并涂有鎳（Ni）和Ti的多孔微型機(jī)器人可以在外部磁場下實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制[22]。使用這種微型機(jī)器人，可以在外部梯度磁場下成功實(shí)現(xiàn)體內(nèi)靶向細(xì)胞的遞送。研究還發(fā)現(xiàn)，帶有Ni涂層的磁驅(qū)動微掃描器[33]具有醫(yī)學(xué)診斷和治療的潛力。

3. 用于生物植入物的3D AM 材料

盡管研究已經(jīng)報(bào)道了多種生物材料，但并非所有材料都可用于3D打印制備生物植入物。首先，用于制備生物植入物的材料應(yīng)具有良好的生物相容性和較低的毒性。細(xì)胞應(yīng)該較易黏附在材料表面并順利增殖。由于它們將長期保留在人體中，所以材料不應(yīng)釋放有毒元素，并應(yīng)具有適當(dāng)?shù)慕到馑俣群湍湍バ?。為了滿足人體中不同位置（如骨骼[38]、軟骨[39]、血管[40,41]、關(guān)節(jié)[42,43]和其他區(qū)域）的要求，還應(yīng)考慮應(yīng)用環(huán)境。對于植入物來說，組織和植入物之間的剛度不匹配會影響植入物使用過程中的負(fù)載分擔(dān)。承重植入物（如骨植入物[38,44]）的材料應(yīng)具備較高的機(jī)械強(qiáng)度。因此，金屬和陶瓷是承重植入物的理想選擇。高分子材料具有適當(dāng)?shù)目箯垙?qiáng)度和類似于宿主組織的彈性模量，也是可選擇的植入物材料。

為了通過3D打印方法制造植入物，還必須考慮材料的化學(xué)和物理特性。下面討論并介紹幾種已用于生物植入物或潛在的植入物材料。

圖1. 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的2D AM材料。（a）有助于成骨分化的植入物衍生的Mg2+擴(kuò)散示意圖；（b）超納米尺寸的雙相玻璃晶體結(jié)構(gòu)；（c）在模擬的人體環(huán)境中，有各種涂層的支架上腐蝕區(qū)域的掃描電子顯微鏡圖像；（d）包括Ni/Ti沉積在內(nèi)的微型機(jī)器人的制造過程。DRG：背根神經(jīng)節(jié)；CGRP：降鈣素基因相關(guān)肽；TRPM7：瞬時(shí)受體電位通道M型7；MAGT1：鎂轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白亞型1；CALCRL：降鈣素受體樣受體；RAMP1：受體活性修飾蛋白1；PDSC：骨膜來源的干細(xì)胞；cAMP：抗菌微生物肽；CREB：cAMP調(diào)節(jié)的增強(qiáng)子B。（a）～（d）經(jīng)作者許可轉(zhuǎn)自參考文獻(xiàn)[19-22]。

3.1. 高分子

經(jīng)常用于3D打印制備生物支架的高分子包括聚醚醚酮（PEEK）、聚己內(nèi)酯（PCL）、聚乙烯醇（PVA）和聚L-乳酸（PLLA）[3]。

PEEK是一種具有良好機(jī)械性能的熱塑性生物材料，已獲得美國食品和藥物管理局（FDA）的批準(zhǔn)，可用于人造骨骼植入物，尤其是位于人體承重部位的植入物。PEEK的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度分別為3.3 GPa和110 MPa，與膠原蛋白的相應(yīng)值3.75 GPa和100 MPa十分接近[45]。由于與天然膠原蛋白的機(jī)械性能接近，因此PEEK是替代人造骨骼植入物中膠原蛋白的合適候選物。PEEK的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔融溫度分別為143 ℃和343 ℃，所以可加工性是PEEK所面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)[46]。在顱頜面（CMF）手術(shù)中，利用FDM技術(shù)[47]已經(jīng)制造了針對患者的植入物，其打印床溫度和打印噴頭溫度分別為100 ℃和400 ℃。Haleem和Javaid [46]綜述了3D打印PEEK在牙科植入物中的應(yīng)用前景。Zhang等[48]開發(fā)了一種基于FDM技術(shù)制備具有波浪形彈性結(jié)構(gòu)的肋軟骨假體的新方法。

PCL具有良好的生物相容性和緩慢的生物降解性能，已經(jīng)獲得FDA的批準(zhǔn)，是一種常被用作3D打印骨骼支架的熱塑性聚合物。它具備較低的熔點(diǎn)溫度（60 ℃），即使是臺式FDM也可以制備支架。Zamani等[49]通過FDM技術(shù)制備了具有梯度機(jī)械性能的PCL支架，并且發(fā)現(xiàn)其可潛在應(yīng)用于下頜骨植入物。但是，PCL材料缺乏骨誘導(dǎo)性，因此必須在基質(zhì)中加入功能化的礦物添加劑，包括磷酸三鈣（TCP）、HAp晶體、脫細(xì)胞骨基質(zhì)（DCB）[50]和人體內(nèi)的微量元素[如鍶（Sr）、鎂、鋅（Zn）、銀（Ag）和硅（Si）] [51]。PCL支架也可以用于隆鼻手術(shù)的臨床應(yīng)用[52]。

聚乳酸（PLA）是一種半結(jié)晶聚合物，其熔融和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分別為174 ℃和57 ℃。PLA有兩種不同的立體異構(gòu)體，即PLLA和聚D-丙交酯（PLDA）。PLLA在人體中的降解速度比PLDA慢得多，因此PLLA通常被用于整形外科植入物材料。PLA已被FDA批準(zhǔn)用作人類生物醫(yī)學(xué)材料，并且其良好的生物相容性和較低的毒性使之在骨科和牙科領(lǐng)域的固定裝置（如螺釘、大頭針、縫合線）上的應(yīng)用前景廣闊。然而，它也有與PCL類似的問題，即缺乏機(jī)械強(qiáng)度和功能性，限制了它的進(jìn)一步應(yīng)用[47,53]。

除上述聚合物外，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、PVA和聚（乳酸-乙醇酸共聚物）（PLGA）被廣泛用于3D打印的植入物。PMMA在顱骨成形術(shù)中的使用可以追溯到20世紀(jì)40年代。Petersmann等[54]通過FDM技術(shù)使用PMMA制備了顱骨植入物。PVA也顯示出極好的軟骨修復(fù)潛力。

3.2. 陶瓷

陶瓷是制備骨植入物的首選材料，因?yàn)樘烊还鞘怯商沾桑℉Ap，含量約占骨濕重的80%）和膠原蛋白組成。理想的生物陶瓷不僅應(yīng)具有生物相容性，而且還應(yīng)具有骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性，并且在使用過程中不會釋放有毒元素。最初，生物惰性生物陶瓷以氧化鋯（ZrO2）[55]和氧化鋁（Al2O3）[56]為代表，用于生產(chǎn)全髖關(guān)節(jié)置換假體的股骨頭。后來，具有生物活性的陶瓷材料被開發(fā)出來，它們能夠與宿主骨組織形成牢固的化學(xué)作用結(jié)合力，并且不會引發(fā)炎癥。Ca-P基陶瓷，包括HAp [57]、TCP [58]和生物玻璃，是眾所周知的骨替代材料。與ZrO2和Al2O3相比，這些生物活性陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度明顯較低，但顯示出更好的生物響應(yīng)性、蛋白質(zhì)產(chǎn)生能力和細(xì)胞黏附性（骨傳導(dǎo)）。Chen等[59]綜述了2019年之前關(guān)于陶瓷的3D打印技術(shù)，主要包括基于漿料、粉末和本體固體的方法。

3.3. 金屬

金屬或其合金材料的3D打印常常通過SLM或電子束熔化（EBM）來實(shí)現(xiàn)[60]。以下小節(jié)介紹了幾種用于生物植入物的常見金屬和合金（Ti基、SS和Co基）以及可生物降解的金屬（鎂基、鋅基和鐵基）。

3.3.1. 鈦基合金

Ti合金由于具有良好的生物相容性、低模量和耐腐蝕性而被用作生物材料。Ti-6Al-4V用于鎖骨植入物和下頜骨植入物的制造、足部截骨術(shù)（如帶凸緣的髖臼杯）以及其他病灶位置，如牙齒和髖關(guān)節(jié)植入物[61]。但是，鋁（Al）和釩（V）元素的釋放會導(dǎo)致阿爾茨海默癥、骨軟化癥和其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病[62-64]。目前，沒有釩摻雜的Ti-6Al-7Nb [65]和Ti-5Al-2.5Fe [66]已被制造出來并應(yīng)用于股骨假體。為了改善Ti合金的耐磨性，通常需要在Ti合金中進(jìn)行表面改性，并且添加難熔金屬元素。

3.3.2. 不銹鋼

奧氏體316L SS合金[含2%～3%的鉬（Mo）]是制造體內(nèi)固定裝置（支架、骨板和人工關(guān)節(jié)）最常用的植入材料[67,68]。因?yàn)?16L SS不能促進(jìn)新的組織生長，所以Hao等[69]提出了一種包含316L SS和HAp生物陶瓷的組合材料，用于通過SLM技術(shù)制造承重和生物活性復(fù)合材料植入物。317L SS合金（含3%～4%的Mo）在點(diǎn)蝕和總體耐蝕性方面優(yōu)于316L [70]。為了減少骨植入物的細(xì)菌感染，Chai等[70]研究了317L SS-Cu在體外和體內(nèi)的生物相容性和抗菌活性。局部腐蝕效應(yīng)會導(dǎo)致24%的植入物失效[71]，這是影響SS合金用作植入物材料性能的主要問題[72]。可以利用表面改性[73]、涂層和表面紋理改性（在納米級）[74,75]等方法來增強(qiáng)SS的耐腐蝕性。

3.3.3. 鈷基合金

由Co、Cr、Ni和Mo組成的Co-Cr合金是骨植入物常用的生物材料。與SS相比，Co基合金具有更好的生物相容性、耐磨性、耐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度[72]。Co-Cr合金有兩種基本類型：Co-Cr-Mo合金和Co-Ni-Cr-Mo合金。Co-Cr-Mo合金已被用于牙科植入物和人工關(guān)節(jié)，其中合金元素含量為27%～30%的Co、2.5%的Ni和5%～7%的Mo [76]。Co-Ni-Cr-Mo合金已被用于重載關(guān)節(jié)（髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)）[77]，由19%～21%的Cr、33%～37%的Ni和9%～11%的Mo組成[76]。Xiang等[78]通過EBM方法制造了具有各向異性組織和力學(xué)性能的Co-Cr-Mo合金。Co基合金的主要問題之一是生物腐蝕[79]，因?yàn)樗谂c人體蛋白質(zhì)或細(xì)胞結(jié)合的過程中會釋放帶正電荷的金屬離子。

3.3.4. 鎂基合金

純 鎂 的 密 度（1.74 g·cm-3） 與 天 然 骨 骼 密 度（1.8～2.1 g·cm-3）相似[80]。但是，它在人體內(nèi)植入物的應(yīng)用方面受限于鎂金屬快速的腐蝕性，該腐蝕會導(dǎo)致植入物的快速降解。如果研究人員可以控制鎂的腐蝕速率，則它可能是骨植入物的合適選擇，因?yàn)槠鋸椥阅Ａ浚?5 GPa）與皮質(zhì)骨相似，這將有效避免應(yīng)力屏蔽效果。鎂合金（Mg-Zn基[81]、Mg-Ca基[82]、Mg-Si基[83]和Mg-Sr基合金）[84]提供了控制純Mg腐蝕的良好解決方案，并且在組織工程、骨科和心血管領(lǐng)域顯示出巨大潛力。在生物植入物中，Al和稀土元素應(yīng)避免與Mg形成合金，因?yàn)檫@兩種成分雖然可以提高機(jī)械強(qiáng)度，但它們分別會導(dǎo)致神經(jīng)毒性和肝毒性。此外，在鎂合金的研究中，氫氣的生成是一個(gè)普遍存在的挑戰(zhàn)[5,85]。作為替代材料，鎂玻璃可以用作植入物而不會形成氫氣[86]。

3.3.5. 鋅基合金

由于具有良好的生物降解性和生物相容性，鋅基合金作為植入物材料具有巨大潛力[87]。2013年，Bowen等[88]報(bào)道鋅是制造支架的優(yōu)良候選材料。純鋅的鑄造極限抗拉強(qiáng)度為20 MPa，鍛造極限抗拉強(qiáng)度為120 MPa [89,90]。但是，這不足以使其用于支架（血管支架至少需要300 MPa）。因此，金屬鋅需要與其他金屬結(jié)合形成適用于生物醫(yī)學(xué)的合金。一些文獻(xiàn)已經(jīng)綜述了Zn-Mg、Zn-Ca/Sr、Zn-Al、Zn-Li、Zn-Ag、Zn-Cu和Zn-Mn等合金體系[87,91]。Zn-Cu合金在顱頜面部骨植入物中顯示出潛在的應(yīng)用前景[92]。Zn-P的合金界面為鋅植入物提供了關(guān)鍵的可控的生物相容性，并且可以作為具有前景的、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的涂層材料應(yīng)用于其他生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[93]。

3.3.6. 鐵基合金

鐵及其合金不會促進(jìn)氫氣的釋放，并且比鎂基合金具有更好的機(jī)械性能，是另一種可生物降解的金屬，可以用作心血管支架或骨植入物[94]（因?yàn)槠渚哂械腿苎屎统錾目鼓匦訹95,96]）。純鐵的彈性模量（211.4 GPa）高于純鎂（41 GPa）或316L SS（190 GPa）[97]。在臨床應(yīng)用中，錳、碳（C）、硅和鈀（Pd）元素通常與鐵合金化，以提高純鐵材料的降解速率（在成骨環(huán)境中為0.16 mm·a-1[97]）并降低其在臨床應(yīng)用中的磁化率。當(dāng)為鐵基合金設(shè)計(jì)開孔結(jié)構(gòu)時(shí)，它們可以顯示出接近天然骨骼的機(jī)械性能[98]。Li等[99]通過直接金屬打印制備了具備打印有序多孔結(jié)構(gòu)的鐵支架，并研究了它們的生物降解行為和機(jī)械性能。Hong等[100]通過3D打印制造了Fe-Mn和Fe-Mn-Ca基結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)添加鈣可以提高鐵的降解率。通常情況下，需要對鐵進(jìn)行改性以改善表面生物活性，從而刺激新骨的形成。Yang等[101]提出了一種基于水熱過程的HAp涂層方法來改進(jìn)3D打印鐵支架，并展示了其在骨組織工程中的潛在應(yīng)用。

3.3.7. 塊狀金屬玻璃

塊狀金屬玻璃（BMG）是一種強(qiáng)度約為2 GPa、彈性約為2%、楊氏模量約為50～100 GPa的金屬材料[102]。由于獨(dú)特的無序原子結(jié)構(gòu)，大塊金屬玻璃具有較高的耐磨性和耐腐蝕性。因此，塊狀金屬玻璃可作為一種新型植入物材料，其生物相容性優(yōu)于結(jié)晶體。Zr44Ti11Cu10- Ni10Be25塊狀金屬玻璃表現(xiàn)出更好的細(xì)胞生長和附著支撐能力[103]。具有微/納米圖案表面的Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5塊狀金屬玻璃顯示出增強(qiáng)的血管生成能力[104]。

3.4. 3D AM 技術(shù)在生物植入中的應(yīng)用

表1 [14-17,105-113]總結(jié)了幾種常用于生物植入物制造的具有代表性的3D AM技術(shù)，以及它們的優(yōu)點(diǎn)、局限性和當(dāng)前的應(yīng)用情況。

3.4.1. 熔融沉積成型

FDM是一種常見的AM工藝，在此工藝中，聚合物在熔融和擠出后形成細(xì)絲[114]。通常使用熱塑性聚合物，如聚碳酸酯（PC）、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚己內(nèi)酯、聚酰胺（PA）和聚乳酸（PLA）。由于聚氨酯具有良好的柔韌性和生物相容性，Zeng等[115]利用FDM技術(shù)制備了聚氨酯人造耳廓。本實(shí)驗(yàn)為實(shí)現(xiàn)耳廓重建以及減輕其他軟骨缺損提供了一條有效的途徑。Gronet等[116]為兩名患者制作了丙烯酸植入物用以修復(fù)大面積或復(fù)雜顱骨缺損。Tan等[16]為患者制備了個(gè)性化的丙烯酸顱骨植入物。該方法制備植入物的優(yōu)點(diǎn)在于不需要化學(xué)后處理和低成本，而主要限制是產(chǎn)品的機(jī)械性能較差[117]。

3.4.2. 直接墨水書寫

直接墨水書寫（DIW）是一種AM工藝，在該工藝中，材料的懸浮液或熔體以絲狀形式從機(jī)器中被擠出[105]。DIW的材料來源豐富，包括水凝膠、陶瓷/金屬粉末混合聚合物的懸浮液以及熱塑性聚合物熔體。最近，一種基于熔體靜電紡絲的DIW方法[118]被開發(fā)出來，該方法由于熔體在高壓電場下的拉伸而獲得較高的打印精度。與FDM類似，打印精度受壓力、工作臺移動速度和打印噴嘴直徑等因素的影響。對于陶瓷和金屬部件，需要進(jìn)行后處理，以通過燒結(jié)或其他方法去除打印墨水中的聚合物成分。DIW方法已被應(yīng)用于開發(fā)生物植入物，包括軟骨[17]、骨組織[106]和血管[107]。

3.4.3. 立體平版印刷

SLA是最早的AM方法之一，于1986年發(fā)展起來[119]。它使用紫外線（UV）在一層薄薄的光敏樹脂或單體溶液上引發(fā)聚合。單體通常含有丙烯酸或環(huán)氧基基團(tuán)，可通過聚合反應(yīng)形成長鏈聚合物。利用SLA方法已經(jīng)開發(fā)出了骨科[15]和牙科植入物[108]。為了制備陶瓷基植入物，可以將陶瓷粉末分散在光敏樹脂中，然后通過后續(xù)的燒結(jié)處理去除聚合物。Winder和Bibb [120]總結(jié)了SLA在口腔頜面修復(fù)術(shù)中的潛在應(yīng)用，包括耳鼻修復(fù)、阻塞器和手術(shù)支架。后處理技術(shù)包括拋光、噴漆和打磨。SLA的優(yōu)點(diǎn)是可以生產(chǎn)10 μm的高精度植入物[119]，但其缺點(diǎn)是成本高和材料資源有限。

3.4.4. 選擇性激光熔化

在SLM過程中，激光將散落在床層中的粉末熔合在每一層的特定位置，以形成所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。對于純金屬粉末的SLM的加工，通常選用對金屬有高吸收性的激光束（一般為摻釹釔鋁石榴石，1.064 μm）或者短波長的光纖激光器（1.09 μm）。研究人員使用SLM技術(shù)為患者制造了第一個(gè)定制化的Ti-6Al-4V頜骨植入物[121]。SLM的優(yōu)點(diǎn)包括可使用材料的范圍廣泛，以及未使用顆粒的可回收。其缺點(diǎn)是打印精度取決于顆粒大小，并且打印環(huán)境為惰性氣體環(huán)境以防止顆粒氧化。SLM技術(shù)在生物植入物中的應(yīng)用包括開發(fā)固定鋼板[18]、髖臼杯[109]、脊柱手術(shù)模板[110]和牙科合金[111]。

3.4.5. 電子束熔化

瑞典Arcam AB公司于1997年開發(fā)的EBM是一種基于粉末床的AM技術(shù)[112]。它的處理過程與SLM類似。然而，EBM的熱源是電子束，而不是激光束。此外，EBM只用于制備金屬和合金，而SLM用于制備聚合物、金屬和陶瓷。EBM可以在真空條件下以極高的打印速度（最高可達(dá)105m·s-1）工作[112]。據(jù)報(bào)道，EBM可以制造Co-Cr-Mo合金[78]、Ti-6Al-4V合金 [113,122,123]和Ni-Ti合金[124]，用于骨科和牙科植入物。EBM一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是它所制造的部件的殘余應(yīng)力水平比SLM低得多。

3.4.6. 3D 生物打印

與其他3D打印技術(shù)不同，3D生物打印使用生物墨水作為打印材料。生物墨水由生物材料、生物化學(xué)因子和活細(xì)胞組成。3D生物打印的核心挑戰(zhàn)是基于打印結(jié)構(gòu)賦予其生物功能[125]。根據(jù)工作原理的不同，3D生物打印方法可分為噴墨生物打印[126]、微擠壓生物打印[127]和激光輔助生物打印[128]。理想的生物墨水對生物打印很重要，它應(yīng)該滿足適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度、可控的凝膠過程、生物相容性等要求。研究人員可以閱讀一些關(guān)于3D生物打印的生物墨水相關(guān)的綜述[129-132]。Kang等[133]發(fā)明了一種集成組織-器官打印機(jī)系統(tǒng)，用于下頜骨、顱骨、耳軟骨和骨骼肌的潛在重建。Lee等[12]提出了一種新的3D生物打印方法，以懸浮水凝膠的自由可逆包埋為支撐打印介質(zhì)，并對人體心臟進(jìn)行了不同尺度的打印。Grigoryan等[13]基于SLA方法，使用光聚合水凝膠建立了血管內(nèi)和多血管結(jié)構(gòu)。3D生物打印技術(shù)雖然還沒有被真正應(yīng)用于臨床，但已經(jīng)顯示出蓬勃的發(fā)展前景。

表1 幾種具有代表性的用于制造生物植入物的3D AM技術(shù)

4. 用于生物植入物的4D AM 材料

在4D打印中，3D打印的材料自主且可編程地改變其結(jié)構(gòu)或功能，以響應(yīng)環(huán)境刺激，諸如應(yīng)力、光、液體、溫度變化、磁場、氣體壓力、嵌入式電路或這些刺激的組合。2014年，通過將一根由多種材料制得的絲線折疊成字母“MIT”，首次展示了4D打印過程[134]。到目前為止，已經(jīng)開發(fā)了多種材料用于4D AM技術(shù)，包括聚合物[135-143]、金屬[143-145]和陶瓷[146]。4D AM材料[147]的變形能力可適用于動態(tài)而多樣的人體環(huán)境，如可用于藥物輸送[148]和支架導(dǎo)入[149]。然而，變形材料的響應(yīng)速度和機(jī)械強(qiáng)度通常是實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵制約因素。

Gladman等[135]報(bào)道了一種由水凝膠復(fù)合材料制成的仿生4D打印系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，所嵌入的非溶脹纖維素纖維的取向，被精確地設(shè)計(jì)布局，以實(shí)現(xiàn)各向異性的溶脹行為。利用該系統(tǒng)，該研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有混合高斯曲率的復(fù)雜形狀的整體結(jié)構(gòu)。另一種應(yīng)用廣泛的4D AM聚合物是形狀記憶聚合物（SMP）及其復(fù)合材料，它們具有變形大、多種刺激響應(yīng)、生物相容性好、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)[150]。Ge等[136]利用多材料打印技術(shù)開發(fā)了可打印活性復(fù)合材料。在彈性體基質(zhì)中打印的SMP纖維可以驅(qū)動復(fù)合材料的變形行為，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對折紙結(jié)構(gòu)的熱-機(jī)械編程控制[137]。Ding等[138]設(shè)計(jì)了一種直接4D打印方法，將編程步驟集成到3D打印的過程中，制備出永久性編程形狀。Lin等[139]將磁粉引入SMP基質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)了對4D打印的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。Huang等[140]提出了一種由水凝膠和SMP組成的新型4D AM聚合物，該聚合物的超快數(shù)碼打印技術(shù)通過避開垂直方向的逐層打印和平面方向的逐線打印，克服了AM在速度上的限制。此外，關(guān)于3D打印形狀記憶合金（SMA）的一些工作，展示了開發(fā)4D AM金屬材料的潛力[143]，包括使用黏結(jié)劑噴射打印方法的Ni-Mn-Ga SMA [144]和使用SLM方法的NiTi合金[145]。在這些研究中，3D打印的SMA呈現(xiàn)出由溫度變化導(dǎo)致的馬氏體相變所產(chǎn)生的形狀記憶行為。

4D AM技術(shù)是隨著相關(guān)的4D AM材料的變形能力而發(fā)展起來的。各種材料和技術(shù)為設(shè)計(jì)和制造4D智能結(jié)構(gòu)材料（如軟質(zhì)機(jī)器人、受控夾爪、可編程形狀變化圖案等）提供了巨大的可能性。熱刺激是4D打印最常見和最容易獲得的刺激，已有大量熱響應(yīng)4D材料被報(bào)道，包括水凝膠[135]、SMA [151]和SMP [138]。然而，相對較慢的響應(yīng)速度限制了熱驅(qū)動4D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

光驅(qū)動4D技術(shù)因其響應(yīng)速度快、無線控制、精確聚焦和可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[152-154]。石墨烯和碳納米管基復(fù)合材料[155-157]、液晶彈性體復(fù)合材料[158-160]、SMP [161]和水凝膠[162]通常用于光驅(qū)動4D系統(tǒng)。一種光敏打印微型游泳機(jī)器人[163]已被報(bào)道。濕度也可被用來驅(qū)動4D打印致動器的變形，Mao等[142]展示了一種在濕度刺激下形成的親水/疏水雙層膜，該膜在軟致動器中具有潛在的應(yīng)用前景。磁場是4D材料開發(fā)的另一個(gè)重要策略，原因是它們的精細(xì)控制和對生物體良好的生物相容性滿足了其在生物醫(yī)學(xué)和治療方面應(yīng)用的前提條件。利用DIW可打印4D磁性蝶形結(jié)構(gòu)[164,165]和4D花狀磁致驅(qū)動器[166]。各種受磁場控制的仿生4D結(jié)構(gòu)，包括螺旋藻細(xì)胞[167]、毛毛蟲[168,169]、海星[170]和水母[171]等均已有報(bào)道。除了這些技術(shù)外，應(yīng)力驅(qū)動[146]、電驅(qū)動[172]和氣體驅(qū)動[173]等4D打印技術(shù)也有所研究。這些4D驅(qū)動技術(shù)最近取得了很大進(jìn)步，然而，大多數(shù)現(xiàn)有的智能4D結(jié)構(gòu)只對一個(gè)刺激做出響應(yīng)，這限制了它們與環(huán)境的交互能力以及它們在多種環(huán)境刺激下的適應(yīng)性[174]。多種刺激響應(yīng)型材料和技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了新一代4D打印結(jié)構(gòu)的發(fā)展，包括光熱雙響應(yīng)水凝膠、電熱和電化學(xué)驅(qū)動材料[175]、磁光/熱雙刺激驅(qū)動器[176-180]、溫度-pH敏感熒光雙層驅(qū)動器[181]和濕度-溫度-光三重響應(yīng)水凝膠[174]等。利用FDM技術(shù)可打印一種基于SMP和熱變色顏料的仿生形狀-顏色雙響應(yīng)型4D復(fù)合材料[182]。與此同時(shí)，4D AM技術(shù)仍然存在一些有待解決的問題，如光的波長限制和生物毒性、反應(yīng)活性以及磁場的頻率控制等。

首套陶瓷4D打印系統(tǒng)是由我們團(tuán)隊(duì)先前開發(fā)的。在這個(gè)系統(tǒng)中，彈性陶瓷前驅(qū)體經(jīng)歷打印、變形，之后轉(zhuǎn)變成硬質(zhì)陶瓷結(jié)構(gòu)，如圖2所示[146]。通過釋放可拉伸至超過200%應(yīng)變長度的預(yù)應(yīng)變陶瓷前驅(qū)體中儲存的彈性能，可實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的變形。此外，在4D打印的彈性體衍生陶瓷（EDC）中實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度-尺度的協(xié)同效應(yīng)。用這種方法可以打印從200 μm到幾十厘米的EDC多級結(jié)構(gòu)，且該EDC結(jié)構(gòu)在密度為1.6 g·cm-3時(shí)的抗壓強(qiáng)度可達(dá)547 MPa [146]。

與其他4D AM聚合物和金屬材料相比，上述陶瓷4D AM系統(tǒng)在高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面具備優(yōu)勢，因?yàn)榫酆衔镅苌沾删哂酗@著的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性[183]。陶瓷前驅(qū)體的DIW和熱處理過程比其他高熔點(diǎn)材料的4D AM系統(tǒng)更具成本效益，因?yàn)樗?D打印過程中不需要昂貴的激光能量，也不需要燒結(jié)高熔點(diǎn)材料的粉末以進(jìn)行后處理。此外，墨水材料的開放式原料系統(tǒng)使得陶瓷4D AM系統(tǒng)可以擴(kuò)展到多種材料和變形系統(tǒng)。目前陶瓷4D AM系統(tǒng)的缺點(diǎn)包括變形控制精度不高，因?yàn)樽冃蜗到y(tǒng)依賴于自制的雙軸拉伸裝置。隨著新的變形機(jī)制和高精度加工技術(shù)的引入，變形編程控制的精度有望得到提高。

上述陶瓷4D打印的工作有望推動生物植入物AM領(lǐng)域的創(chuàng)新。利用陶瓷和陶瓷前驅(qū)體的可打印性，可以期待用陶瓷材料打印的硬質(zhì)生物植入物，包括牙冠、鎖定板、髖臼杯和骨板[圖3（a）～（d）]，以及用陶瓷前驅(qū)體材料打印的軟質(zhì)生物植入物[圖3（e）～（h）]，包括耳朵、氣管、半月板和韌帶[圖3（e）～（h）]。此外，因?yàn)橛糜诖蛴√沾汕膀?qū)體和陶瓷的“陶瓷墨水”可以將這兩種材料打印的部分黏接融合在一起，所以可以打印出同時(shí)具有軟質(zhì)和硬質(zhì)部分的生物植入物，從而形成同源的三明治結(jié)構(gòu)[圖3（i）]。用于打印的墨水是由液體PDMS（SE1700 clear，美國道康寧公司）與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的ZrO2納米顆粒（中國通力微納科技有限公司）混合制成。陶瓷前驅(qū)體的3D打印是由基于DIW的3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)的。墨水沉積后，將形成的結(jié)構(gòu)在150 ℃下后處理固化30 min。在氬氣（Ar）氣氛下，將陶瓷前驅(qū)體在1300 ℃下加熱1 h可制得陶瓷。

此外，這些打印陶瓷可以達(dá)到34～547 MPa的抗壓強(qiáng)度和200%的拉伸應(yīng)變[146]。據(jù)相關(guān)報(bào)道，肌腱/ 韌帶和關(guān)節(jié)軟骨的極限拉伸應(yīng)變分別為10%～15%和60%～120% [184]，而皮質(zhì)骨組織和牙齒組織的壓縮強(qiáng)度分別為88～164 MPa和295 MPa [185]。所有這些參數(shù)都在該材料的力學(xué)性能范圍內(nèi)，這表明它在多種組織，特別是軟硬集成的生物植入物方面具有潛在的應(yīng)用前景。

與太極中陰陽兩大基本元素之間剛?cè)岵?jì)的哲學(xué)關(guān)系類似，人體中軟質(zhì)和硬質(zhì)的生物結(jié)構(gòu)融為一體并一同發(fā)揮功能，從而以軟硬集成生物成分的形式實(shí)現(xiàn)全面平衡，如膝關(guān)節(jié)和脊椎（圖4）。圖3（j）為用白色/黑色陶瓷前驅(qū)體/陶瓷材料打印的太極陰陽符號，展示了人體內(nèi)軟硬集成的生物結(jié)構(gòu)?；贏M技術(shù)的軟硬集成結(jié)構(gòu)材料將被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，包括仿生的超韌或具有優(yōu)異性能的材料[186-189]，以及驅(qū)動器[190-192]。

打印結(jié)構(gòu)的后處理可以獲得良好的機(jī)械性能或生物相容性。例如，對Ti合金中的3D打印部件進(jìn)行表面機(jī)械納米化處理[193]，可以在金屬表面上引入納米結(jié)構(gòu)層[194]，并極大地提高打印結(jié)構(gòu)的抗疲勞強(qiáng)度[195]。此外，通過拋光技術(shù)，可以制備出平均表面粗糙度（Ra）可達(dá)0.06 μm的打印陶瓷結(jié)構(gòu)[圖3（k）]。

5. 結(jié)論

目前有望將這種通過4D打印陶瓷前驅(qū)體/陶瓷材料實(shí)現(xiàn)的軟硬集成4D AM概念擴(kuò)展到其他二元和多組元體系。在多材料打印和局部陶瓷化等其他技術(shù)的輔助下，可以制造出更多種具有功能梯度界面的軟硬集成結(jié)構(gòu)。2D/3D/4D AM材料的組合可以為人體內(nèi)復(fù)雜且動態(tài)的生物環(huán)境中生物植入物的開發(fā)帶來更多創(chuàng)新。

圖3.用4D打印陶瓷前驅(qū)體/陶瓷材料開發(fā)的代表性生物植入物。所打印的由硬質(zhì)陶瓷制成的牙冠（a）、鎖定板（b）、髖臼杯（c）和骨板（d）。所打印的由軟質(zhì)陶瓷前驅(qū)體制成的外耳（e）、氣管（f）、半月板（g）和韌帶（h）。（i）以可打印的“陶瓷墨水”作為黏接劑，將打印的軟質(zhì)和硬質(zhì)生物植入物黏接融合在一起。（j）用白色/黑色陶瓷前驅(qū)體/陶瓷材料打印的太極陰陽符號，展示了人體內(nèi)軟硬集成的生物結(jié)構(gòu)。（k）所打印的未拋光（左）和拋光（右）的陶瓷網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的比較。比例尺為1 cm。

圖4. 人體內(nèi)軟質(zhì)和硬質(zhì)的生物結(jié)構(gòu)融為一體并一同發(fā)揮功能，形成類似于太極陰陽剛?cè)岵?jì)的全面平衡。

在未來的研究中，多材料打印將不僅包括打印主體材料之間的組合，還包括打印支撐材料和打印介質(zhì)材料之間的組合。隨著不同模量材料的墨水系統(tǒng)的開發(fā)，仿生超韌雜化材料系統(tǒng)的AM將會被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)材料，以克服強(qiáng)度和韌性不可兼得的普遍矛盾。多維度AM將推動打印維度從2D/3D/4D增加到更高維度，并促使打印策略從逐點(diǎn)/逐線/逐面/逐體的AM轉(zhuǎn)變到擁有更高維度基本元素的AM，從而實(shí)現(xiàn)高水平的結(jié)構(gòu)自由度和打印效率。此外，減材制造等其他制造策略的引入，以及與適用于不同功能應(yīng)用場景的打印材料的預(yù)編程、實(shí)時(shí)處理或后處理的集成，將為AM材料和技術(shù)的學(xué)術(shù)研究和工業(yè)應(yīng)用提供廣闊的發(fā)展機(jī)會。

致謝

本工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFA0204403）、國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（51590892）、中國香港研資局優(yōu)配研究金（CityU 11209918）、中國香港協(xié)作研究金（C4026-17W）、中國香港主題研究計(jì)劃（T13-402/17-N）和深港科技創(chuàng)新合作區(qū)深圳園區(qū)項(xiàng)目（HZQB-KCZYB-2020030）的資助。

Compliance with ethics guidelines

Guo Liu, Yunhu He, Pengchao Liu, Zhou Chen, Xuliang Chen, Lei Wan, Ying Li, and Jian Lu declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.