醫用3D打印仿真人體骨骼新材料的研究進展

摘 要：在人體骨骼的教學中，人體骨骼實物教學是重要的，它能讓學生更加真實的了解到人體骨骼的力學性能和質感，但是人類捐贈的遺體數量是有限的，為了達到更加理想的教學效果，我們需要更加真實的人體骨骼模型，隨著3D打印技術的成熟和新材料的開發讓仿真人體骨骼得到了更快的發展。

關鍵詞：3D打印;新材料;骨骼模型

一、3D打印仿真人體骨骼成型技術

3D打印技術，即快速成形技術的一種，它是一種數字模型文件為基礎，運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造物體的技術。過去其常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型，現正逐漸用于一些產品的直接制造。特別是一些高價值應用（比如髖關節或牙齒）已經有使用這種技術打印而成的零部件。

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：噴頭在計算機控制下作 x-y 聯動及 z 向運動，絲材在噴頭中被加熱到溫度略高于其熔點，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來，最后材料凝固成型形成三維產品。Elena Manuela Samaila[1]等通過熔融沉積成型技術用丙烯腈/丁二烯/苯乙烯（ABS）打印出患者骨科模型，然后進行術前規劃和教育性手術模擬，這些模型也向患者展示，以增加他們對骨折類型、嚴重程度和預后的了解，以及建議手術的細節等。Shadi Hassanajili等以聚乳酸/聚己內酯/羥基磷灰石（PLA/PCL/HA）復合材料為材料，采用熔融沉積成型技術制備模型。采用冷凍干燥/顆粒浸取的方法，將復合懸浮液澆鑄在可溶解的3D打印負片模具中，實現了宏觀和微觀多孔復合材料的同時成型。這種技術操作簡單、成本低廉，但是缺點就是其加工精度低成型不理想。

1.2選擇性激光燒結成型

選擇性激光燒結是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，首先將粉末預熱到稍低于其熔點的溫度，然后在刮平棍子的作用下將粉末鋪平;激光束在計算機控制下根據分層截面信息進行有選擇地燒結，一層完成后再進行下一層燒結，全部燒結完后去掉多余的粉末，則就可以得到一燒結好的零件。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體，采用3D選擇性激光燒結法制備了多孔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技術，成功制備了MgSiO3、MgCl2、CaSO4等不同摻雜量的多孔CaSiO3復合材料，發現摻雜可以提高多孔復合材料的強度，其中摻雜MgCl2可以最大程度改善多孔材料的力學性能。選擇性激光燒結法有著制造工藝簡單，柔性度高、材料選擇范圍廣、材料價格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特點，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度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點到線，由線到面順序凝固，完成一個層面的繪圖作業，然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度，再固化另一個層面.這樣層層疊加構成一個三維實體。Jiancheng Zhang[3]等利用添加劑制造技術（AM）構建紫外光固化陶瓷構件，并且改進和發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性能和穩定性。光固化成型法是最早出現的快速原型制造工藝，成熟度高，加工速度快，可以加工結構外形復雜或使用傳統手段難于成型的原型和模具，但其存在造價高昂，使用和維護成本過高，并且系統是要對液體進行操作的精密設備，對工作環境要求苛刻等缺點。

二、3D打印仿真人體骨骼新材料

現如今新材料開發進展迅猛，3D打印仿骨材料更是多種多樣，本次探究選擇了以下3種主流仿骨材料進行介紹。

2.1聚乳酸（PLA）

聚乳酸（H-[OCHCH3CO]n-OH）的熱穩定性好，加工溫度170～230℃，有好的抗溶劑性，由聚乳酸制成的產品除能生物降解外，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，及最良好的抗拉強度及延展度，因此聚乳酸（PLA）經常當做3D打印仿骨材料的主要成分。Jina Lee等利用聚乳酸（PLA）和鈦為材料應用熔融沉積成型技術制備了PLA/Ti復合材料，它具有良好的力學和生物學性能，而且證明了隨著Ti含量的增加，PLA/Ti復合材料的壓縮強度和拉伸強度逐漸提高，直至達到10 vol%，并在真實骨值范圍內，且PLA/Ti復合材料的壓縮和拉伸性能優于純PLA。Qinghua Wei等研究了聚乳酸（PLA）/羧甲基纖維素（CMC）復合材料的微觀結構與力學性能。其采用熔融共混工藝制備復合材料，擠出成長絲用于FDM印刷。結果表明，CMC的加入大大降低了分子鏈的自由體積分數和分子鏈的運動能力，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，拉伸強度先增大后減小，8PLA/2CMC的拉伸強度最大。最后，發現這些現象的根本原因是CMC分子間的相互作用較強，較強的相互作用會導致CMC的聚集行為。聚乳酸加工前有質脆的缺點，所以要添加一些增強劑來改善這一缺陷。

2.2聚醚醚酮（PEEK）

聚醚醚酮（PEEK）是在主鏈結構中含有一個酮鍵和兩個醚鍵的重復單元所構成的高聚物，屬特種高分子材料，具有耐高溫、耐化學藥品腐蝕等物理化學性能，是一類半結晶高分子材料，熔點334℃，軟化點168℃，拉伸強度132～148MPa，可與玻璃纖維或碳纖維復合制備增強材料。Georgio A Katsifis等通過FDM 3D打印技術用PEEK材料制成仿骨材料，通過對所測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性能。Gaoyan Zhong等制備了聚醚醚酮/羥基磷灰石（PEEK/HA）復合材料，利用掃描電鏡和ct分析結果表明，PEEK/HA復合材料具有均勻的微觀結構，并對PEEK基體和加工工藝進行了優化，最終生物和力學性能測試結果證實，PEEK/HA復合材料具有良好的生物相容性，且具有人皮質骨范圍內的屈服和抗壓強度。聚醚醚酮目前受限于聚合單體、產能、用量等因素的影響價格偏高。

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、補鈣劑，目前廣泛應用于制造認同牙齒或骨骼成份的尖端新素材。Guanghua Chen等設計了一種骨樣的、仿生的、分層的多孔HA陶瓷3D打印材料，實驗結果表明，具有控制釋放系統（CMR）的仿生分層的打印材料能夠在一個連續的循環中成功地促進細胞增殖、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淀粉-羥基磷灰石（HA）復合骨及組織工程材料力學及物理性能的影響，并利用XRD、FTIR和FESEM進一步表征了這些材料的結構，最終證明直鏈淀粉是仿骨材料的一種與生物學相關的增強相。羥磷灰石同樣存在一些缺陷就是脆性大、機械性能不佳。

三、總結

3D打印技術能夠制造出結構復雜生物力學性能良好的骨科模型，這為人們更加直觀的了解和學習骨科知識提供了方便，也為許多患者帶來了福音，隨著3D打印技術的發展和許多新材料的開發，這將積極推動骨科醫療技術的發展，為患者提供更多的治療方案，為教學提供更加真實的骨科模型。然而，在3D打印發展過程中也存在許多問題，例如設備價格昂貴不利于普及，部分產品潛在存有生物毒性，打印過程存在的環境污染問題等，盡管如此，作者認為3D打印技術及其相關材料研發的前途是光明的，它將為推動社會發展起到積極作用。

參考文獻

[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.

作者簡介：李虎，男，漢族，安徽省阜陽市人，目前在成都大學就讀碩士研究生，研究方向是醫用3D打印材料。