医学三维打印材料分类及应用介绍

潘周娴，陈 适，刘 巍，潘 慧，姚 勇，朱慧娟，杨 华

(中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 1.临床医学八年制；2.内分泌科；3.教育处；4.神经外科；5.耳鼻喉科，北京 100730)



短篇综述

医学三维打印材料分类及应用介绍

潘周娴1，陈 适2*，刘 巍2，潘 慧3，姚 勇4，朱慧娟2，杨 华5

(中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 1.临床医学八年制；2.内分泌科；3.教育处；4.神经外科；5.耳鼻喉科，北京 100730)

医学三维打印成品的用途决定了对材料选取的特殊要求，材料主要分为模型材料和生物相容材料两大类。本文旨在对已有的医学三维打印材料进行介绍、比较适用范围和优缺点，并列举应用实例，给医学工作者在选择材料上提供有用的参考。

三维打印；模型材料；生物相容材料；手术练习

三维打印(three-dimensional printing,3DP)，又名快速成型、实体自由成型、增量制造等，其核心原理是借助电脑数据，通过一层一层添加材料来构建三维物体。正如印刷术的出现推动了文明和社会进步，自1986年三维打印技术问世以来，因精密复制、一体成型、 节约材料等诸多优点， 三维打印渗入了各行各业并引领创新。可以说，只要能找到合适的材料，三维打印可以实现任何设计、仿真所有物品，在创新制造上拥有不可比拟的优势。

因能精确清晰地展现人体结构，三维打印在医学领域有广阔的应用前景。主要应用分三方面：一是模型制造，用以医学教学、手术规划或练习；二是可移植假体制造，用于人体结构如骨骼、瓣膜的替换，三是组织工程，是指将生物材料、生物化学物质和细胞共同组装以制造组织或器官，也称为生物三维打印(three-dimensional bioprinting)[1]。因人体结构有特殊的质地，医学三维打印领域对仿真材料的外观、机械性能、生物相容性等方面有各式各样的特殊要求。可以说，材料的发展决定了医学三维打印的未来。

1 医学三维打印材料的应用分类

虽然完美展现精细结构对任何三维打印技术和材料来说都不在话下，但实际操作过程中，成品的不同用途往往决定了对材料选取的特殊要求，具体如表1所示。医学教育用的示教模型只需有高仿真的外观，但对机械性能和生物相容性等并没有要求。相比于此，手术操作练习模型则要求材料的质地与相应的人体结构类似。而对于假体移植和组织工程而言，机械性能、生物相容性才是选取材料需考虑的首要因素。

不同材料需由不同的打印技术来实现，三维打印的常用技术、简称和原理可参见表2。下面将分别针对模型材料和生物相容材料进行介绍。

1.1 模型材料

模型材料用于医学教学、 手术规划或手术练习的模型制作，以下分成硬质和软质材料进行介绍(模型材料对应的打印技术、优缺点和应用实例的总结参见表3)。

表1 不同医学应用领域对三维打印材料的要求

1.1.1 硬质材料：硬质三维打印材料种类多、成本低、普及广，是医学领域应用最广泛的材料，成品主要用于三方面：一是示教模型，用于医学教育、术前讨论、医患沟通等；二是手术导板，在整形外科、口腔科使用较多；三是手术操作练习模型，但仅限于模仿原本就坚硬的人体结构，如骨骼、牙齿、气管，医生可在模型上切割、钻孔等，大大提高手术熟练度。

硬质材料主要有如下几类：1)光敏树脂。光敏树脂多呈液态，最早使用的有聚丙烯酸树脂和环氧树脂，包括它们在内的大多树脂成品透明、坚硬且易脆，可由SL或PolyJet打印[2]。坚硬的树脂成品在制作示教模型、手术导板和骨骼、牙齿等人体结构的手术练习模型等方面几乎没有限制。往树脂原料里添加石膏粉、陶瓷颗粒等，还能使成品更加坚硬牢固[2]。树脂的“透明”特性使之可以制作内部结构可视化的理想教学模型，例如内部静脉分支清晰可见的透明肝脏[3]，或是显示内部肿瘤的透明器官模型等[4]。2)工程塑料。用于三维打印的工程塑料有聚碳酸酯(polycarbonate, PC材料)、聚酰胺(尼龙类材料)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile butadiene styrene, ABS)等。工程塑料强度高、硬度高，目前在医学领域的应用多限于示教模型和手术导板的制作[5]。不过随着材料的发展，也有工程塑料成品能满足手术操作的真实性，例如聚酰胺颗粒和玻璃微球的混合粉末制作的骨骼模型的外观和质感非常真实，可由SLS实现[6]。3)其他。金属、石膏、合成聚合物也可用于制作坚硬物品，可以粉末形式由SLS技术打印[7]。金属制品坚固、制作精度高，但毕竟颜色局限、成本高、搬运不便，较少用于医学模型制作。石膏的价格低廉，可由多种技术打印。值得一提的是，3DP可通过不同颜色的黏合剂来给石膏成品赋予不同的颜色，是难得的能打印全彩色样件的三维打印工艺[5,7]。

表2 三维打印的常用技术介绍Table 2 Introductions on 3D printing methods

1.1.2 软质材料：软质材料主要用于模仿较软的人体结构，可供选择的种类相对少。真实质感的手术操作练习模型不仅能给医生很好的形态展现和空间体验，还能模拟剪切缝合的真实质感，对缩短手术时间、降低并发症等都有帮助。不过大多材料不具备表面摩擦力、延展性等复杂性能的仿真度，也无法在质感上模仿脂肪等软组织，未来材料的进步直接决定了医学三维打印的发展。

软质医学模型材料多为树脂，例如橡胶类树脂能制作剪切质感令人满意的动脉及动脉瘤[8]，氨基甲酸酯橡胶可以制造手术彩排用的心脏[9]等，这些树脂均为液态光敏树脂，由SL或PolyJet技术打印。有机硅也可用于制作心脏等练习模型，但相比于 “直接三维打印”技术，有机硅在“间接三维打印”中应用更加广泛，即利用三维打印技术制作出个性化的模具后，再用有机硅浇铸成型[10]。

1.2 生物相容材料

生物相容材料，是指植入人体后既不会迅速遭到破坏而影响其发挥作用，也不会给人体带来损伤和毒害的材料。假体移植物和生物三维打印的原料均需有良好的生物相容性，可供选择的材料有如下几类(表4)。

1.2.1 金属：钛和钛合金因拥有良好的生物相容性、抗腐蚀性、坚固耐用等诸多优点，在骨科和整形外科等科室被广泛用于制作骨移植物，可通过多种三维打印方法实现，如3DP、SLS、激光工程化净成形、电子光束熔炼法等[11]。

1.2.2 磷酸钙：基于磷酸钙的化学物质，包括磷酸三钙[calcium phosphate, Ca3(PO4)2]、 羟基磷灰石[hydroxyapatite, Ca5(PO4)3(OH)]、二水磷酸氢钙粉末(dicalcium phosphate dihydrate, CaHPO4·2H2O)、陶瓷粉末及磷酸钙骨水泥等，其优点在于良好的骨诱导性和足够的机械强度，是制造人工骨移植物及骨组织工程的理想材料[12- 13]。以基于磷酸钙的化学物质粉末为原料，利用3DP技术喷射黏合剂至相应粉末表面，最终成型。可供选择的黏合剂有聚合物溶液、磷酸溶液、磷酸铵溶液和柠檬酸溶液等[12- 13]。

表3 模型材料的打印技术、优缺点及应用实例Table 3 Methods, strength and weakness, and application examples of model materials

表4 生物相容材料的打印技术、优缺点及应用实例Table 4 Methods, strength and weakness, and application examples of biocompatible materials

1.2.3 合成聚合物：合成聚合物种类繁多， 用于三维打印的聚合物也逐年增多，性能逐渐完善，分成可降解类和非可降解类。前者在人体内可被降解吸收，如聚己内酯、聚氨酯、聚乙醇酸/聚乳酸共聚物等，有制作心脏、心脏瓣膜和骨头的先例[14]；后者包括聚丙烯醇、聚乙二醇和明胶丙烯酸甲酯等，可以制作骨骼、软骨、神经、体外科研用的支架等[15- 16]。

1.2.4 天然材料：用于三维打印的天然材料有明胶、胶原、壳聚糖、纤维蛋白、玻尿酸、角蛋白、琼脂糖等，材料来源于动物和人体[2]。其优点在于与细胞外基质(extracellular matrix, ECM)很相似，生物相容性、生物活性好，但是天然材料的供应不足，不同批次间性质差异大，容易交叉污染[16]。

2 复合材料与多材料打印

复合材料能在一定程度上弥补单一材料的局限。例如羟基磷灰石粉末与聚丙烯醇粉末混合制成的复合材料，既解决了生物陶瓷粉末可降解性不佳的问题，又拥有比聚合物材料更好的机械性能和生物相容性，是制作组织工程支架的理想材料[16]。

从实例中可见，三维打印的成品，尤其是手术练习模型及生物三维打印，多是单材料打印的单结构。多组织模型，例如有血管附着的颅骨和大脑，多采用三维打印和其他工艺结合的方式制作，例如在打印出的颅骨上涂抹蓝色和红色硅胶后凝固成静脉和动脉[6]。另外，个别打印技术如SLS和PolyJet拥有一次性运用多种材料打印出多组织器官的能力[8,17]，例如包含皮肤、颅骨、硬脑膜、肿瘤等多个不同质感的组织的脑肿瘤模型，能给神经外科医生非常真实的模拟训练体验[17]。PolyJet技术由于可以同时用两个喷头喷射不同材料的液态微粒，因此能在同一成品中实现材料浓度的梯度，使成品的质感呈现一个渐变的状态[18]。

3 总结

正因材料的发展，三维打印已不仅限于在视觉上给人立体的体验，还能满足质感、机械性能甚至生物特性的仿真度，令三维打印成品拥有广阔的运用前景。硬质模型材料是三维打印同时也是医学三维打印使用最早、最广的材料，不过部分硬质材料的局限在于色彩的选择不足。软质材料目前种类较少，它的发展决定了三维打印在更多医学科室被应用的可能性。生物相容材料制作的移植器官是能直接让患者受益匪浅的三维打印成品，目前尚在研究阶段。在如今技术发展的潮流下，只有少数医学机构构建了出色的多组织器官医学三维打印模型。另外，虽然复杂的材料性能不在大多数研究的考虑范围内，但是监测并把握材料发展的趋势，可以尽快朝着更完美的三维打印成品走去。

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运动对于早期精神病是有效的介入方式

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Introduction to classification and application of materials used in medical three-dimensional printing

PAN Zhou-xian1，CHEN Shi2*，LIU Wei2，PAN Hui3，YAO Yong4，ZHU Hui-juan2，YANG Hua5

(1.Eight-year Program of Clinical Medicine； 2.Dept. of Endocrinology；3.Dept. of Education；4.Dept. of Neurosurgery； 5.Dept. of Otolaryngology， PUMC Hospital, CAMS & PUMC, Beijing 100730, China)

Applications of three-dimensional (3D) printed medical products make demands of materials, which can be divided into model materials and biocompatible materials. This article aims to introduce, classify and compare different materials used in medical 3D printing, provide examples and guidelines of choosing materials.

three-dimensional printing; model materials; biocompatible materials; surgical practice

2014- 12- 16

：2015- 01- 22

大学生创新创业训练计划(201410023006)；协和青年科研基金(33320140113)；首都特色临床医学(Z141107002514051)

*通信作者(correspondingauthor)：cs0083@126.com

1001-6325(2015)05-0702-05

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