3D 打印技术在生物医用领域的应用及其研究进展

何显运 原 波 刘金彦

（1、广东工贸职业技术学院，广东 广州510000 2、广东机电职业技术学院，广东 广州510510）

3D 打印技术属于快速成型技术，起源于20 世纪90 年代，是增材制造技术的一种，是以计算机辅助设计（CAD/CAM）、材料科学、机械工程等多领域相互融合而建立发展起来的一项新兴技术。

3D 打印的材料主要有金属粉末和塑料丝材，通过逐层堆叠积累粘合在一起的方式来生成实体。近年来，3D 打印技术在临床外科手术设计，医学整形，临床教学及生物组织工程支架方面都取得了较多的应用，在这些方面的研究也得到越来越多的关注。

本文就3D 打印技术在生物医用领域的应用及其研究进展情况进行了综述。

1 在骨骼修复方面的应用

在骨骼修复方面，3D 打印技术的应用主要在三方面。

一是利用具有良好的生物力学性能和生物相容性的钛及其钛合金材料以及聚醚醚酮（PEEK）等3D 打印植入物，在骨缺损、骨肿瘤修复等具有较广泛的研究和应用；

二是用作骨科手术辅助材料的打印；

三是以可降解生物医用材料为基体，通过3D 打印来构建骨组织工程支架，用于性化骨损伤修复，不同于材料植入物，可生物降解材料可降低排异反应。

钛及钛合金材料由于具有良好的生物力学性能、生物相容性，可用作骨修复及硬组织植入材料。利用电子束熔化成型（EMB）进行快速成型的方法，将钛及钛合金材料制备人体植入物，以满足不同的个体患者需要，可以做到植入物细微结构个性化和外形个性化。

目前3D 打印的骨骼植入器械中钛合金产品较多，主要为金属髋臼外杯，也有部分用于椎间融合器[1]。王旭日等采用3D打印钛板对颧骨骨折患者进行治疗，治疗效果比较理想，值得在临床上被进一步推广和应用[2]。

聚醚醚酮（PEEK）是主链结构中含有一个酮键和两个醚键的重复单元所构成的高聚物，属于特种工程塑料，具有耐高温、耐化学药品腐蚀、优异的耐磨性和自润滑性，同时具有良好的生物相容性，杨氏模量接近人工光骨，所以该种材料非常适合用于制作人工骨替代物和人工关节等。

吉林大学的张钰通过逆向工程，将人体内踝进行扫描，进行3D 重建，再用熔融沉积成型（FDM）打印设备进行仿生人体内踝的个性化打印，得到成形质量良好，满足技术要求的PEEK仿生人工骨[3]。

作为骨科手术辅助材料的打印，主要体现在3D 打印个性化辅助手术导板，实物模型等。如通过3D 打印模型用于观察骨折的形态并进行术前评估和分型，特别是在脊椎畸形矫正、修复方面，具有很明显的优势，利用传统的医疗手段如CT 检查，核磁共振（MRI）以及X 射线透射等无法显示其准确的生理结构，形态等，而通过3D 打印的脊柱实物模型，可以清晰地显示其畸形的形态和结构及异常的生长等情况，为手术方案提供参考。

同时，也可以通过实物模型先进行模拟手术，以熟悉整个手术的过程，降低手术刀的风险[4，5]。刘正蓬等采用3D 打印的PLA 椎弓根螺钉术治疗胸腰段脊柱骨折，2016 年2 月至2017年9 月间，治疗56 例胸腰段脊柱骨折患者，疗效满意[6]。

以合成高分子材料（PLA，PLGA 等）和天然材料等为基体，应用3D 打印技术制备骨组织工程支架，用于骨骼的损伤和修复。Sollaiman 等通过在磷酸三钙（TCP）中掺杂了SrO 和MgO 二种成分，然后应用3D 打印技术制备多孔的组织工程支架用于骨缺损修复，结果表明掺杂的多孔隙的TCP 支架有助于早期愈合，加速骨形成[7]。Simpson 等以配比为95/5PLGA/羟基磷灰石和β- 磷酸三钙为基体材料，采用选择性激光烧结（SLS）的方法，制备了骨替代材料[8]。

悉尼大学的HalaZreiqat 教授研究出一种可以用3D 打印进行加工的骨骼替代的新材料，该材料与在结构、强度和多孔性方面与自然骨十分相似，同具有良好的生物相容性，植入体内，不会产生排异性反应，能促进骨质细胞的再生，且是一种可降解材料，会溶于体内而排泄出来[9]。

2 在口腔领域的应用

在口腔方面应用的材料主要有合金，生物陶瓷及光敏树脂等。合金材料主要用选择性激光熔化成型技术来3D 打印制作活动假牙支架、牙钉、烤瓷牙金属内冠、牙桥内冠、舌侧正畸托槽等，用于牙齿的修复[10]。3D 打印生物陶瓷使用的材料主要有β-磷酸三钙、羟基磷灰石等。

由于其与牙齿具有相似的理化性质，主要用于口腔颌面骨组织修复及牙周骨缺损修复，尤其是牙槽嵴重建[11，12]。用于口腔领域的聚合物材料主要是光敏树脂，是利用光固化3D 打印技术将光敏树脂材料与氧化铝、氧化锆等生物陶瓷粉一起加工用于打印口腔种植体。

Lee 等发现添加4，4'- 二（N，N- 二甲氨基） 二苯甲酮（DEABP）作为共同引发剂能提高打印材料光固化树脂的转化效果，增强牙模型的强度[13]。吴江等报道应用计算机辅助设计（CAD）和激光3D 打印技术制作全口义齿钛基托，进而评估其与无牙颌石膏模型之间的适合性，为今后该技术在临床上的广泛应用提供实验基础[14]。

3 在矫形外科方面的应用

矫形外科也叫矫形骨科，通过手术矫形使病残废用的肢体恢复部分或全部的功能。而随着爱美人士的增多，其中对颌面骨缺损和面部（鼻、耳）微整形在矫形外科占有很大的比重。通过逆向工程来构建缺损部位的结构，再应用3D 打印将该缺损部位打印出来，形成个性化植入物，可以很好地将植入物与个体颌面部的结构精准吻合，从而使缺损组织的形态和功能得以恢复及美化。文献[15]国内首例3D 打印钛合金已经成功应用于颌面部整形。

通过逆向工程完成植入体的设计与修饰，然后运用钛合金粉末进行3D 打印植入体，用于植入取得了较好的结果。周冰等用3D 打印的方法制作出鼻赝复体蜡型，将蜡型翻制成的硅橡胶赝复体，用于修复外鼻缺损，获得了满意的临床效果[16]。康一帆等报道了北京大学口腔医院口腔颌面外科利用3D 打印辅助设计模拟使用髂骨瓣修复颌骨缺损，效果良好[17]。

4 用于医学模型设计

利用3D 打印技术制作病理器官模型，近年来，3D 打印的医学器官模型已经广泛应用于临床实践和教学中，为临床的发展注入了新鲜的血液。

利用3D 打印的医学模型能将病理器官及相关组织内部结构的细节形象地显示出来，使身体内部的结构变得更为直观明了，用于辅助术前计划和手术治疗分析及临床教学等。特别是对于复杂创伤、脊柱外科和关节外科等手术，可以通过3D 打印技术设计出椎弓根、髋臼等手术导航模板，显示了广泛的应用前景。

同时，通过3D 打印的方式将一些疾病的形态学变化制作成医学模型，对于影像技术学课程来说，疾病的形态学变化更形象，更直观，更好地展现教学效果，得到了学生的普遍肯定[18-22]。

5 展望

虽然3D 打印技术在医用领域中的个性化、精准化治疗方面表现出了极大的优势，并且已经在临床应用中取得了很大的进展，且在这方面的应用与研究受到了越来越多的关注。但由于受到3D 打印设备和材料的限制，目前该技术在医学领域还没有达到规模化的应用。而随着研究者对3D 打印设备，工艺研究的不断更新，打印材料的不断改进，3D 打印技术在生物医用领域的应用将会越来越广。