医用3D打印仿真人体骨骼新材料的研究进展

摘 要：在人体骨骼的教学中，人体骨骼实物教学是重要的，它能让学生更加真实的了解到人体骨骼的力学性能和质感，但是人类捐赠的遗体数量是有限的，为了达到更加理想的教学效果，我们需要更加真实的人体骨骼模型，随着3D打印技术的成熟和新材料的开发让仿真人体骨骼得到了更快的发展。

关键词：3D打印;新材料;骨骼模型

一、3D打印仿真人体骨骼成型技术

3D打印技术，即快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿）已经有使用这种技术打印而成的零部件。

1.1熔融沉积成型

熔融沉积成型是一种不使用激光器加工的方法，其原理是：喷头在计算机控制下作 x-y 联动及 z 向运动，丝材在喷头中被加热到温度略高于其熔点，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来，最后材料凝固成型形成三维产品。Elena Manuela Samaila[1]等通过熔融沉积成型技术用丙烯腈/丁二烯/苯乙烯（ABS）打印出患者骨科模型，然后进行术前规划和教育性手术模拟，这些模型也向患者展示，以增加他们对骨折类型、严重程度和预后的了解，以及建议手术的细节等。Shadi Hassanajili等以聚乳酸/聚己内酯/羟基磷灰石（PLA/PCL/HA）复合材料为材料，采用熔融沉积成型技术制备模型。采用冷冻干燥/颗粒浸取的方法，将复合悬浮液浇铸在可溶解的3D打印负片模具中，实现了宏观和微观多孔复合材料的同时成型。这种技术操作简单、成本低廉，但是缺点就是其加工精度低成型不理想。

1.2选择性激光烧结成型

选择性激光烧结是SLS法采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平;激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到一烧结好的零件。Yumeng Zhang[2]等以氯化钙和磷酸氢二铵为原料，采用水化沉淀法合成了磷酸钙盐前驱体，采用3D选择性激光烧结法制备了多孔β-磷酸三钙（TCP）生物陶瓷，研究了不同钙磷比（Ca/P）对该材料收缩率和孔隙率的影响。Zhinan Zhang等采用选择性激光烧结技术，成功制备了MgSiO3、MgCl2、CaSO4等不同掺杂量的多孔CaSiO3复合材料，发现掺杂可以提高多孔复合材料的强度，其中掺杂MgCl2可以最大程度改善多孔材料的力学性能。选择性激光烧结法有着制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特点，但是其成型表面粗糙多孔，并受粉末颗粒大小及激光光斑的限制，生成陶瓷、金属制件的后处理较难。

1.3 光固化成型

光固化成型原理是用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面.这样层层叠加构成一个三维实体。Jiancheng Zhang[3]等利用添加剂制造技术（AM）构建紫外光固化陶瓷构件，并且改进和发展了一种新型高固载量的紫外光固化悬浮液，使其具有良好的流体力学性能和稳定性。光固化成型法是最早出现的快速原型制造工艺，成熟度高，加工速度快，可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具，但其存在造价高昂，使用和维护成本过高，并且系统是要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻等缺点。

二、3D打印仿真人体骨骼新材料

现如今新材料开发进展迅猛，3D打印仿骨材料更是多种多样，本次探究选择了以下3种主流仿骨材料进行介绍。

2.1聚乳酸（PLA）

聚乳酸（H-[OCHCH3CO]n-OH）的热稳定性好，加工温度170～230℃，有好的抗溶剂性，由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，及最良好的抗拉强度及延展度，因此聚乳酸（PLA）经常当做3D打印仿骨材料的主要成分。Jina Lee等利用聚乳酸（PLA）和钛为材料应用熔融沉积成型技术制备了PLA/Ti复合材料，它具有良好的力学和生物学性能，而且证明了随着Ti含量的增加，PLA/Ti复合材料的压缩强度和拉伸强度逐渐提高，直至达到10 vol%，并在真实骨值范围内，且PLA/Ti复合材料的压缩和拉伸性能优于纯PLA。Qinghua Wei等研究了聚乳酸（PLA）/羧甲基纤维素（CMC）复合材料的微观结构与力学性能。其采用熔融共混工艺制备复合材料，挤出成长丝用于FDM印刷。结果表明，CMC的加入大大降低了分子链的自由体积分数和分子链的运动能力，使体系具有更高的密度和更好的亲水性，拉伸模量随着CMC浓度的增加而增加，说明CMC的引入可以提高PLA的刚度，而随着CMC含量的增加，拉伸强度先增大后减小，8PLA/2CMC的拉伸强度最大。最后，发现这些现象的根本原因是CMC分子间的相互作用较强，较强的相互作用会导致CMC的聚集行为。聚乳酸加工前有质脆的缺點，所以要添加一些增强剂来改善这一缺陷。

2.2聚醚醚酮（PEEK）

聚醚醚酮（PEEK）是在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，属特种高分子材料，具有耐高温、耐化学药品腐蚀等物理化学性能，是一类半结晶高分子材料，熔点334℃，软化点168℃，拉伸强度132～148MPa，可与玻璃纤维或碳纤维复合制备增强材料。Georgio A Katsifis等通过FDM 3D打印技术用PEEK材料制成仿骨材料，通过对所测样品的杨氏模量理论界限的比较，确定了其具有接近骨的力学性能。Gaoyan Zhong等制备了聚醚醚酮/羟基磷灰石（PEEK/HA）复合材料，利用扫描电镜和ct分析结果表明，PEEK/HA复合材料具有均匀的微观结构，并对PEEK基体和加工工艺进行了优化，最终生物和力学性能测试结果证实，PEEK/HA复合材料具有良好的生物相容性，且具有人皮质骨范围内的屈服和抗压强度。聚醚醚酮目前受限于聚合单体、产能、用量等因素的影响价格偏高。

2.3羟基磷灰石（HA）

羟磷灰石是磷灰石中含氢氧根的纯正端元（endmember），羟磷灰石的晶系为六方晶系，比重为3.08，摩氏硬度为5。纯的羟磷灰石粉末是白色，常用作骨替代材料、齿科、补钙剂，目前广泛应用于制造认同牙齿或骨骼成份的尖端新素材。Guanghua Chen等设计了一种骨样的、仿生的、分层的多孔HA陶瓷3D打印材料，实验结果表明，具有控制释放系统（CMR）的仿生分层的打印材料能够在一个连续的循环中成功地促进细胞增殖、粘附、分化和成骨，为骨缺损患者的治疗提供了一种有前途的多功能骨替代材料。Caitlin Koski等探讨了直链淀粉含量对淀粉-羟基磷灰石（HA）复合骨及组织工程材料力学及物理性能的影响，并利用XRD、FTIR和FESEM进一步表征了这些材料的结构，最终证明直链淀粉是仿骨材料的一种与生物学相关的增强相。羟磷灰石同样存在一些缺陷就是脆性大、机械性能不佳。

三、总结

3D打印技术能够制造出结构复杂生物力学性能良好的骨科模型，这为人们更加直观的了解和学习骨科知识提供了方便，也为许多患者带来了福音，随着3D打印技术的发展和许多新材料的开发，这将积极推动骨科医疗技术的发展，为患者提供更多的治疗方案，为教学提供更加真实的骨科模型。然而，在3D打印发展过程中也存在许多问题，例如设备价格昂贵不利于普及，部分产品潜在存有生物毒性，打印过程存在的环境污染问题等，尽管如此，作者认为3D打印技术及其相关材料研发的前途是光明的，它将为推动社会发展起到积极作用。

参考文献

[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，汉族，安徽省阜阳市人，目前在成都大学就读硕士研究生，研究方向是医用3D打印材料。