巧妇难为无米之炊，生物3D打印材料大盘点！

导语

近几年来，3D打印技术不局限于航天航空、汽车等制造业的发展，与仿生技术、组织工程学、生命科技紧密结合，在医疗行业大放光彩！

采编：刘帅、周俊   排版：谢鸣洲

康奈尔大学机械工程与计算机科学技术教授胡迪·利普森提出了一个“3D打印生命阶梯”的概念，生动地展现了3D打印技术在医疗领域的发展蓝图。

”3D打印生命阶梯”的底层为无需留在体内的医疗器械，包括医疗模型、诊疗器械、康复辅具、假肢等；中层是”简单的活性组织如骨骼与软骨”，即个性化永久植入物，使用钛合金、生物陶瓷和高分子聚合物等材料通过3D打印骨骼、软骨、关节、牙齿等产品，通过手术植入人体；再往上是静脉和皮肤；靠近阶梯顶层的是复杂且关键的器官，如心脏、肝脏和大脑。最后，生命阶梯的顶层将是完整的生命单位——也许有一天将会是具备完整功能的人造生命形式。
2010年6月，由美国Organovo公司研制的、“按需打印”患者所需的人体活器官的机器，被称为生物3D打印机（3D bio-printer；3D biology printer ）。该项技术被《时代周刊》评为2010年50项最佳发明之一。

3D生物打印模式图

根据“分层制造，逐层叠加”的原理，生物3D打印机根据计算辅助设计的三维模拟“蓝图”，以生物医用高分子材料、无机材料、水凝胶材料和活细胞（及其相关细胞因子）作为“生物墨水”，在生物相容性的支架材料上逐层添加打印材料，直至打印完成。
随后，自然生成的细胞开始重新组织、融合，形成一个功能协调的有机整体。据最新研究报道，Organovo公司利用生物3D打印技术，成功打印出人体肝脏，并在离体培养条件下存活40天！

细胞3D打印过程

一定程度上，可以说生物3D打印技术真正的魅力，并不是技术本身，而在于技术所涉及的方方面面的生物打印材料。3D打印技术采用不同的“油墨”材料可以生产出各种人造器官和组织，能满足临床患者个体要求。金属、树脂、石膏、陶瓷、高分子、生物大分子等均被创造性地应用于3D打印以生产生物制品。
下面，我们将就生物3D打印中几种常用的材料进行具体介绍。

1水凝胶

由于水凝胶与天然软组织细胞外基质在结构、组成和力学性质上的相似性，目前的细胞和组织打印技术主要是基于携带细胞的水凝胶的3D 沉积技术。
水凝胶是一种具有高水含量的亲水性或双亲性聚合物三维网络。由于水凝胶具有良好的生物相容性，以及与人体软组织相似的力学性质，因此被广泛应用于组织工程支架材料与药物的可控释放中。
目前，传统的水凝胶制备方法主要是通过高分子链间的化学反应或物理相互作用，难以实现对水凝胶外部和内部结构的精确调控。而3D打印技术则能实现对材料外部形态和内部微结构的精确调控，有利于调控细胞的分布，以及材料与生物体的匹配，因此具有独特的优势。
康奈尔大学的Butcher以PEG-DA / 藻酸盐复合原料制备了主动脉瓣水凝胶支架, 该水凝胶的弹性模量可变。制备较大的瓣膜可获得更高的精确度。种植于水凝胶支架上的猪主动脉瓣间质细胞在培养21 天后具有接近100% 的存活率。

3D打印的DNA水凝胶材料
对于3D 打印成型的携带细胞水凝胶支架的基本要求包括： ( 1 ) 水凝胶在工作台沉积后能快速原位成型，并维持初始沉积的形状；  ( 2）保持细胞活性和功能；  ( 3 ) 打印成型的支架容易进行后处理。
随着3D打印技术应用于生物医用材料的兴起，科研工作者对水凝胶的研究也取得了诸多进展。如Gauvin以甲基丙烯酸酯修饰的明胶为原料，制备了可作为个性化组织工程支架材料使用的水凝胶，并进行了体外细胞培养实验研究。

2工程塑料之PEEK材料

PEEK（聚醚醚酮）是一种具有耐高温、自润滑、易加工和高机械强度等优异性能的特种工程塑料，可制造加工成各种机械零部件，如汽车齿轮、油筛、换档启动盘；飞机发动机零部件、自动洗衣机转轮、医疗器械零部件等。
PEEK具有优异的耐磨性、生物相容性、化学稳定性以及杨氏模量最接近人骨等优点，是理想的人工骨替换材料，适合长期植入人体。基于熔融沉积成型原理的3D打印技术安全方便、无需使用激光器、后处理简单，通过与PEEK材料结合制造仿生人工骨。

Peek为材料的3D打印应用于牙科治疗

以生物塑料为原料的3d打印骨骼修复模式图

3生物塑料

3D打印生物塑料主要有聚乳酸（PLA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯（PETG）、聚-羟基丁酸酯（PHB）、 聚-羟基戊酸酯（PHBV）、聚丁二酸-丁二醇酯 （PBS）、聚己内酯（PCL）等，具有良好的可生物降解性。 1）PLA材料PLA（Poly Lactic Acid）即聚乳酸，可能是3D打印起初使用得最好的原材料，具有多种半透明色和光泽感。作为一种环境友好型塑料，聚乳酸可生物降解为活性堆肥。它是从玉米淀粉和甘蔗中提取的，而不是化石燃料。新加坡南洋理工大学的Tan.K.H等在应用PLA制造组织工程支架方面的研究中，采用可降解高分子材料制造了高孔隙度的PLA组织工程支架，通过对该支架进行组织分析，发现其具有生长能力。
PLA（聚乳酸）是一种新型的生物基及可生物降解材料，其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物在特定条件下完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，这对保护环境非常有利，是公认的环境友好材料。
2）PCL材料PCL（聚己内酯）具有良好的生物降解性、生物相容性和无毒性，而被广泛用作医用生物降解材料及药物控制释放体系，可运用于组织工程已经作为药物缓释系统。PCL材料是一种可降解聚酯，熔点较低，只有60℃左右，与大部分生物材料一样，人们常常把它用作特殊用途如药物传输设备、缝合剂等，同时，PCL还具有形状记忆性。在3D打印中，由于它熔点低，所以并不需要很高的打印温度，从而达到节能的目的。在医学领域，可用来打印心脏支架等。

4光敏树脂

光固化树脂又称光敏树脂，是一种受光线照射后,能在较短的时间内迅速发生物理和化学变化，进而交联固化的低聚物。光固化复合树脂是目前口腔科常用的充填、修复材料，由于它的色泽美观，具有一定的的抗压强度，因此在临床应用中起着重要的作用，用于前牙各类缺损及窝洞修复能取得满意的效果。
光敏树脂是由聚合物单体与预聚体组由于具有良好的液体流动性和瞬间光固化特征，使得液态光敏树脂成为3D打印耗材用于高精度制品打印的首选材料。光敏树脂固化速度快、表干性能优异，成型后产品外观平滑，可呈现透明或半透明磨砂状态。光敏树脂具有气味低、刺激性成分低等特征，非常适合个人桌面3D打印系统。

5生物医用无机非金属材料

生物无机非金属材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和医用碳素材料。其中，生物陶瓷广泛应用于医学骨替代品、植入物、牙科和矫形假肢。
生物玻璃主要由硅（Si）、钠（Na）、钙（Ca）和磷（P）的氧化物按一定的配比组成，经过化合反应后，会生成一种叫做羟基磷酸钙〔Ca5(PO4)3(OH)〕的新成分，具有高度的仿生性，是生物骨头的主要构成成分。由于生物玻璃材料具有生物活性，已被材料科学、生物化学及分子生物学科共同关注，在生物医用无机非金属材料领域的应用前景非常可观。
医用碳素材料是一种化学惰性材料，在体内不会被腐蚀或磨损，如碳/碳复合材料、碳纤维增强树脂等多种高性能结构材料集高强度低模量于一身，并且不会产生对机体有害的离子，已作为修复或替代受损骨组织的材料广泛应用于骨伤外科；另一方面，医用碳素材料又具有良好的生物相容性，甚至具有罕见的抗血凝性能，可直接应用于心血管系统

除了常规打印材料以外，为了深入挖掘3D打印技术，充分发挥其在再生医学和器官移植领域的优越性，不少企业和科研机构努力研究和开发各类新型的3D生物打印材料。
2015年5月，美国密歇根理工大学研究人员利用具有极佳的机械性质细胞膜质纳米晶体作为神经细胞支架。为了能够让支架导电，模拟神经传递电充电的功能，在其中加了石墨烯，造出一种生物兼容性石墨烯—结合聚合体。基于这种新开发的材料可用于打印人工神经组织，促进神经再生。 

2016年2月15日，Nature子刊《Nature Biotechnology》在线发表一篇文章，揭示了一种最新的生物3D打印技术ITOP 。该技术利用类似于塑料的可降解生物材料和优化的水性凝胶，结合3D打印技术实现组织结构的重建，且这些材料能够支撑整个结构，保证细胞包含其间不受到损伤。特别注意的是，凝胶包含了微通道（micro-channels），能够与身体构建连接，实现氧气、营养等物质的运输，为细胞的生长提供环境，从而实现其功能。 相信不久的将来，随着新型打印材料的问世和不断发展，“巧妇不再难为无米之炊”，3D生物打印技术必将引领医疗健康的新时代！

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