醫(yī)用3D打印仿真人體骨骼新材料的研究進(jìn)展

摘 要：在人體骨骼的教學(xué)中，人體骨骼實(shí)物教學(xué)是重要的，它能讓學(xué)生更加真實(shí)的了解到人體骨骼的力學(xué)性能和質(zhì)感，但是人類捐贈(zèng)的遺體數(shù)量是有限的，為了達(dá)到更加理想的教學(xué)效果，我們需要更加真實(shí)的人體骨骼模型，隨著3D打印技術(shù)的成熟和新材料的開發(fā)讓仿真人體骨骼得到了更快的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：3D打印;新材料;骨骼模型

一、3D打印仿真人體骨骼成型技術(shù)

3D打印技術(shù)，即快速成形技術(shù)的一種，它是一種數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。過去其常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，現(xiàn)正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。特別是一些高價(jià)值應(yīng)用（比如髖關(guān)節(jié)或牙齒）已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。

1.1熔融沉積成型

熔融沉積成型是一種不使用激光器加工的方法，其原理是：噴頭在計(jì)算機(jī)控制下作 x-y 聯(lián)動(dòng)及 z 向運(yùn)動(dòng)，絲材在噴頭中被加熱到溫度略高于其熔點(diǎn)，通過帶有一個(gè)微細(xì)噴嘴的噴頭擠噴出來，最后材料凝固成型形成三維產(chǎn)品。Elena Manuela Samaila[1]等通過熔融沉積成型技術(shù)用丙烯腈/丁二烯/苯乙烯（ABS）打印出患者骨科模型，然后進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃和教育性手術(shù)模擬，這些模型也向患者展示，以增加他們對(duì)骨折類型、嚴(yán)重程度和預(yù)后的了解，以及建議手術(shù)的細(xì)節(jié)等。Shadi Hassanajili等以聚乳酸/聚己內(nèi)酯/羥基磷灰石（PLA/PCL/HA）復(fù)合材料為材料，采用熔融沉積成型技術(shù)制備模型。采用冷凍干燥/顆粒浸取的方法，將復(fù)合懸浮液澆鑄在可溶解的3D打印負(fù)片模具中，實(shí)現(xiàn)了宏觀和微觀多孔復(fù)合材料的同時(shí)成型。這種技術(shù)操作簡(jiǎn)單、成本低廉，但是缺點(diǎn)就是其加工精度低成型不理想。

1.2選擇性激光燒結(jié)成型

選擇性激光燒結(jié)是SLS法采用紅外激光器作能源，使用的造型材料多為粉末材料。加工時(shí)，首先將粉末預(yù)熱到稍低于其熔點(diǎn)的溫度，然后在刮平棍子的作用下將粉末鋪平;激光束在計(jì)算機(jī)控制下根據(jù)分層截面信息進(jìn)行有選擇地?zé)Y(jié)，一層完成后再進(jìn)行下一層燒結(jié)，全部燒結(jié)完后去掉多余的粉末，則就可以得到一燒結(jié)好的零件。Yumeng Zhang[2]等以氯化鈣和磷酸氫二銨為原料，采用水化沉淀法合成了磷酸鈣鹽前驅(qū)體，采用3D選擇性激光燒結(jié)法制備了多孔β-磷酸三鈣（TCP）生物陶瓷，研究了不同鈣磷比（Ca/P）對(duì)該材料收縮率和孔隙率的影響。Zhinan Zhang等采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，成功制備了MgSiO3、MgCl2、CaSO4等不同摻雜量的多孔CaSiO3復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)摻雜可以提高多孔復(fù)合材料的強(qiáng)度，其中摻雜MgCl2可以最大程度改善多孔材料的力學(xué)性能。選擇性激光燒結(jié)法有著制造工藝簡(jiǎn)單，柔性度高、材料選擇范圍廣、材料價(jià)格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特點(diǎn)，但是其成型表面粗糙多孔，并受粉末顆粒大小及激光光斑的限制，生成陶瓷、金屬制件的后處理較難。

1.3 光固化成型

光固化成型原理是用特定波長與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點(diǎn)到線，由線到面順序凝固，完成一個(gè)層面的繪圖作業(yè)，然后升降臺(tái)在垂直方向移動(dòng)一個(gè)層片的高度，再固化另一個(gè)層面.這樣層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。Jiancheng Zhang[3]等利用添加劑制造技術(shù)（AM）構(gòu)建紫外光固化陶瓷構(gòu)件，并且改進(jìn)和發(fā)展了一種新型高固載量的紫外光固化懸浮液，使其具有良好的流體力學(xué)性能和穩(wěn)定性。光固化成型法是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，成熟度高，加工速度快，可以加工結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具，但其存在造價(jià)高昂，使用和維護(hù)成本過高，并且系統(tǒng)是要對(duì)液體進(jìn)行操作的精密設(shè)備，對(duì)工作環(huán)境要求苛刻等缺點(diǎn)。

二、3D打印仿真人體骨骼新材料

現(xiàn)如今新材料開發(fā)進(jìn)展迅猛，3D打印仿骨材料更是多種多樣，本次探究選擇了以下3種主流仿骨材料進(jìn)行介紹。

2.1聚乳酸（PLA）

聚乳酸（H-[OCHCH3CO]n-OH）的熱穩(wěn)定性好，加工溫度170～230℃，有好的抗溶劑性，由聚乳酸制成的產(chǎn)品除能生物降解外，生物相容性、光澤度、透明性、手感和耐熱性好，還具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，及最良好的抗拉強(qiáng)度及延展度，因此聚乳酸（PLA）經(jīng)常當(dāng)做3D打印仿骨材料的主要成分。Jina Lee等利用聚乳酸（PLA）和鈦為材料應(yīng)用熔融沉積成型技術(shù)制備了PLA/Ti復(fù)合材料，它具有良好的力學(xué)和生物學(xué)性能，而且證明了隨著Ti含量的增加，PLA/Ti復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度逐漸提高，直至達(dá)到10 vol%，并在真實(shí)骨值范圍內(nèi)，且PLA/Ti復(fù)合材料的壓縮和拉伸性能優(yōu)于純PLA。Qinghua Wei等研究了聚乳酸（PLA）/羧甲基纖維素（CMC）復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能。其采用熔融共混工藝制備復(fù)合材料，擠出成長絲用于FDM印刷。結(jié)果表明，CMC的加入大大降低了分子鏈的自由體積分?jǐn)?shù)和分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力，使體系具有更高的密度和更好的親水性，拉伸模量隨著CMC濃度的增加而增加，說明CMC的引入可以提高PLA的剛度，而隨著CMC含量的增加，拉伸強(qiáng)度先增大后減小，8PLA/2CMC的拉伸強(qiáng)度最大。最后，發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象的根本原因是CMC分子間的相互作用較強(qiáng)，較強(qiáng)的相互作用會(huì)導(dǎo)致CMC的聚集行為。聚乳酸加工前有質(zhì)脆的缺點(diǎn)，所以要添加一些增強(qiáng)劑來改善這一缺陷。

2.2聚醚醚酮（PEEK）

聚醚醚酮（PEEK）是在主鏈結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)酮鍵和兩個(gè)醚鍵的重復(fù)單元所構(gòu)成的高聚物，屬特種高分子材料，具有耐高溫、耐化學(xué)藥品腐蝕等物理化學(xué)性能，是一類半結(jié)晶高分子材料，熔點(diǎn)334℃，軟化點(diǎn)168℃，拉伸強(qiáng)度132～148MPa，可與玻璃纖維或碳纖維復(fù)合制備增強(qiáng)材料。Georgio A Katsifis等通過FDM 3D打印技術(shù)用PEEK材料制成仿骨材料，通過對(duì)所測(cè)樣品的楊氏模量理論界限的比較，確定了其具有接近骨的力學(xué)性能。Gaoyan Zhong等制備了聚醚醚酮/羥基磷灰石（PEEK/HA）復(fù)合材料，利用掃描電鏡和ct分析結(jié)果表明，PEEK/HA復(fù)合材料具有均勻的微觀結(jié)構(gòu)，并對(duì)PEEK基體和加工工藝進(jìn)行了優(yōu)化，最終生物和力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果證實(shí)，PEEK/HA復(fù)合材料具有良好的生物相容性，且具有人皮質(zhì)骨范圍內(nèi)的屈服和抗壓強(qiáng)度。聚醚醚酮目前受限于聚合單體、產(chǎn)能、用量等因素的影響價(jià)格偏高。

2.3羥基磷灰石（HA）

羥磷灰石是磷灰石中含氫氧根的純正端元（endmember），羥磷灰石的晶系為六方晶系，比重為3.08，摩氏硬度為5。純的羥磷灰石粉末是白色，常用作骨替代材料、齒科、補(bǔ)鈣劑，目前廣泛應(yīng)用于制造認(rèn)同牙齒或骨骼成份的尖端新素材。Guanghua Chen等設(shè)計(jì)了一種骨樣的、仿生的、分層的多孔HA陶瓷3D打印材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有控制釋放系統(tǒng)（CMR）的仿生分層的打印材料能夠在一個(gè)連續(xù)的循環(huán)中成功地促進(jìn)細(xì)胞增殖、粘附、分化和成骨，為骨缺損患者的治療提供了一種有前途的多功能骨替代材料。Caitlin Koski等探討了直鏈淀粉含量對(duì)淀粉-羥基磷灰石（HA）復(fù)合骨及組織工程材料力學(xué)及物理性能的影響，并利用XRD、FTIR和FESEM進(jìn)一步表征了這些材料的結(jié)構(gòu)，最終證明直鏈淀粉是仿骨材料的一種與生物學(xué)相關(guān)的增強(qiáng)相。羥磷灰石同樣存在一些缺陷就是脆性大、機(jī)械性能不佳。

三、總結(jié)

3D打印技術(shù)能夠制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜生物力學(xué)性能良好的骨科模型，這為人們更加直觀的了解和學(xué)習(xí)骨科知識(shí)提供了方便，也為許多患者帶來了福音，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和許多新材料的開發(fā)，這將積極推動(dòng)骨科醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，為患者提供更多的治療方案，為教學(xué)提供更加真實(shí)的骨科模型。然而，在3D打印發(fā)展過程中也存在許多問題，例如設(shè)備價(jià)格昂貴不利于普及，部分產(chǎn)品潛在存有生物毒性，打印過程存在的環(huán)境污染問題等，盡管如此，作者認(rèn)為3D打印技術(shù)及其相關(guān)材料研發(fā)的前途是光明的，它將為推動(dòng)社會(huì)發(fā)展起到積極作用。

參考文獻(xiàn)

[1] Elena Manuela Samaila，Stefano Negri1，Zardini Alessandro，Nicola Bizzotto，Tommaso Maluta1，Cecilia Rossignoli2 and Bruno Magnan1. Value of three-dimensional printing of fractures in orthopaedic trauma surgery[J]. International Medical Research，2019，10.

[2] Yumeng Zhang，Huiping Shao，Tao Lin，Jiang Peng，Aiyuan Wang，Zhinan Zhang，Luhui Wang，Shuwen Liu，Xinding Yu. Effect of Ca/P ratios on porous calcium phosphate salt bioceramic scaffolds for bone engineering by 3D gel-printing method[J]. Ceramics International，2019，45（16）.

[3] Jiancheng Zhang，Da Huang，Shuifeng Liu，Xianming Dong，Yiheng Li，Hongwu Zhang，Zijun Yang，Qisheng Su，Wenhua Huang，Wenxu Zheng，Wuyi Zhou. Zirconia toughened hydroxyapatite biocomposite formed by a DLP 3D printing process for potential bone tissue engineering[J]. Materials Science & Engineering C，2019，105.

作者簡(jiǎn)介：李虎，男，漢族，安徽省阜陽市人，目前在成都大學(xué)就讀碩士研究生，研究方向是醫(yī)用3D打印材料。