关于3D打印医用材料的介绍.doc
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1、关于3D打印医用材料的介绍3D 打印技术是 20 世纪 80 年代后期开始逐渐兴起的一项新兴制造技术,它是指在计算机控制下,根据物体的计算机辅助设计( CAD) 模型或计算机断层扫描( CT) 等数据,通过材料的精确3D 堆积, 快速制造任意复杂形状3D 物体的新型数字化成型技术。 3D 打印技术的基本制造过程是按照“分层制造、逐层叠加”的原理,通过计算机控制的 3D 打印系统进行逐层打印,叠加后最终获得三维产品。图1 3D打成型模型3D 打印技术的应用领域也在随着技术的进步而不断扩展,包括生活用品、机械设备、生物医用材料,甚至是活体器官、在生物医学领域,目前 3D 打印技术在国际上已开始被应
2、用于器官模型的制造与手术分析策划、个性化组织工程支架材料和假体植入物的制造、以及细胞或组织打印等方面。利用 3D 打印技术则可以根据不同患者的CT、磁共振成像 (MRI) 等成像数据,快速制造个性化的组织工程支架材料,不仅能实现材料与患者病变部位的完美匹配,而且更有利于促进细胞的生长与分化,获得理想的组织修复效果。对于生物医用材料领域,打印材料的局限性严重阻碍了3D打印技术的发展。生物医用材料的3D打印尤为困难,需要考虑材料的强度、安全性、生物相容性、组织工程材料的可降解性等,目前可用于3D打印的生物医用材料主要有金属、陶瓷、聚合物、生物墨水等,其特点是分布范围较广,但是种类极少。本综述着重总
3、结了近年来利用金属、陶瓷、聚合物等材料,通过 3D 打印技术制备生物医用材料的研究进展。医用无机非金属材料无机非金属生物材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃、氧化物及磷酸钙陶瓷和医用碳素材料。生物陶瓷生物陶瓷具有高硬度、高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀等优异性能,在医学骨替代品、植入物,齿科和矫形假体领域有着广泛的应用。但生物陶瓷韧性不高,硬而脆的特点使其加工成形困难,采用3D打印技术制备生物陶瓷,近年来取得长足的进步。图2 陶瓷3D打印植入物图片来源Othworld生物陶瓷由于其对人体内的化学物质的抵抗力而成为医疗应用的首选材料。而且与金属和聚乙烯相比,陶瓷材料已经被证明具有极好的耐磨性。生物陶瓷的
4、化学稳定性意味着它们在插入体内时不会引发任何类型的化学反应,这是由于该材料具有强大的化学键和高纯度成分。图3 陶瓷3D打印植入物图片来源Othworld当然,生物陶瓷的化学稳定性并不意味着所有的陶瓷都是不可降解的。3D打印陶瓷植入物包括氮化硅、氧化铝、羟基磷灰石等种类,其中羟基磷灰石等陶瓷材料具有良好的生物相容性,在植入到体内之后将逐渐被人体降解吸收,生物工程和再生医学领域的科学家们利用此类陶瓷材料的特点研发出用于修复骨骼缺损的陶瓷生物支架。图4 可降解陶瓷3D打印支架图片来源Othworld生物玻璃生物玻璃是内部分子呈无规排列状态的硅酸盐的聚集体,主要含有钠、钙、磷等几种金属离子,在一定配比
5、和化学反应条件下,会生成含有羟基磷酸钙的复合物,具有很高的仿生性,是生物骨组织的主要无机成分。由于生物玻璃材料具有降解性和生物活性,能够诱导骨组织的再生,因此在骨组织工程的研究领域被作为组织工程支架材料广泛应用,在无机非金属材料领域具有非常广阔的应用前景。医用金属材料医用金属材料也被称为外科植入金属材料,主要用于诊断、治疗,以及替换人体中的组织或增进其功能。近20年来,虽然金属医用材料相对于高分子材料、复合材料以及杂化和衍生材料等生物医用材料的发展缓慢,但其具有高的强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其它几类医用材料不可替代的优良性能,是临床应用中最广泛的承力植入材料。尤其随
6、着金属3D打印技术的发展,金属医用材料得到了更广泛的应用,最重要的应用有:骨折内固定板、螺钉、人工关节和牙根种植体等。临床应用的医用金属材料主要有不锈钢、钴合金、钛合金、形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。1、不锈钢医用不锈钢(Stainless Steel as Biomedical Material)为铁基耐蚀合金,是最早开发的生物医用合金之一,其特点是易加工、价格低廉,耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工提高,避免疲劳断裂。不锈钢按显微组织可分为:奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢等,除常规医疗器械外,还可用于制作人工关节、骨折内固定器、牙齿矫形、人工心脏瓣膜等
7、器件。图5 医用不锈钢钳医用不锈钢的缺点是其长期植入的稳定性差,加之其密度和弹性模量与人体硬组织相距较大,导致力学相容性差。由于腐蚀会造成金属离子或其它化合物进人周围的组织或整个机体,因而可在机体内引起某些不良组织学反应,如出现水肿、感染、组织坏死等,并且不锈钢中镍离子析出诱发的严重病变。2、钴合金医用钴合金(Co-based Alloy as Biomedical Material)也是医疗中常用的金属医用材料。医用钴合金的耐腐蚀性比不锈钢高40倍,主要被用以制作人工髋关节、膝关节、关节扣钉、接骨板、骨钉和骨针,目前应用最多的是铸造钴铬铝合金。图6 钴基合金人工关节图片来源 网络钴合金在人体
8、内多保持钝化状态,很少见腐蚀现象,与不锈钢相比,其钝化膜更稳定,耐蚀性更好。从耐磨性看,它也是所有医用金属材料中最好的,一般认为植入人体后没有明显的组织学反应。但是由于钴合金价格较贵,并且钴合金制作的人工髋关节由于金属磨损腐蚀造成Co、Ni等离子溶出,存在着严重致敏性等生物学问题,在体内容易引起细胞和组织坏死,从而导致患者疼痛以及关节的松动、下沉,应用受到一定的限制。近年来,通过表面改性技术来改善钴合金的表面特性,有效提高了其临床效果。3、钛合金医用钛合金(Ti-based- Alloy as Biomedical Material)是目前已知的生物亲和性最好的金属之一,是最有发展前景的医用材
9、料之一。目前,钛和钛合金主要应用于整形外科,尤其是四肢骨和颅骨整复,被用以制作各种骨折内固定器械、人工关节、头盖骨和硬膜、人工心脏瓣膜、齿、牙床、托环和牙冠。其中,医用应用最多的钛合金是TC4(Ti-6A1-4V)。钛及钛合金的密度在4.5g/cm3左右,几乎仅为不锈钢和钴合金的一半,密度接近人体硬组织,且其生物相容性、耐腐蚀性和抗疲劳性能都优于不锈钢和钴合金,是目前最佳的金属医用材料。钛及钛合金缺点是硬度较低,耐磨性差。若磨损发生,首先导致氧化膜破坏,随后磨损的颗粒腐蚀产物进人体组织,尤其是Ti-6A1-4V合金中含有毒性的钒(V)可导致植入物的失效。为了改善钛及钛合金的耐磨性能,可对钛及钛
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