【3D打印】3D打印最新材料集锦之生物医疗篇

　　 3D打印技术的迅速发展也不断推动着对3D打印材料的要求，3D打印被用在各个行业中，例如医疗，生物，鞋业，汽车，建筑，航天等领域。特别在医疗及生物领域，对3D打印材料的要求显得非常高，因为用这些材料打印出来的产品是需要真正植入人体或进行无菌化生物实验的。而近期，国际上也出现了不少生物医疗领域的新材料，下面就让我们一起来看看吧！

　　世界上首个3D打印生物材料研制成功

　　增材元素——一个来自慕尼黑的增材制造创业团队，研制出了第一个完全生物性的3D打印材料。3D打印可用的材料是基于化石或有限的资源来制造的，这些材料可能带来健康风险还有昂贵的处理过程，所有这些限制将被新的材料改变。

　　开发一个生态的无可挑剔的并且对健康无害的材料体系一直是我的梦想。十一个月的研究和开发之后，我们成功了。我们对我们的环境做出了贡献，并改变了增材制造的生产方式，这使我们很自豪增材元素的研发主管Johannes Günther说。该材料系统仅仅包含惰性资源和FDA所批准的商品。此外，该粉末是100%可回收的，被制造的产品可以非常容易地处理。相对于传统的材料来说，这一点是该材料额外的优点。该粘合剂喷射过程可一次打印达4米高的产品部分，这使它在室内，建筑和家具制造中可以完美地应用。我想将3D打印长时间地引入商业。新的材料体系将最终实现在我的工业领域使用该技术的目标。”于尔根鲍姆加特纳解释说，他是店铺装修公司于尔根鲍姆加特纳”的所有者和增材元素的合作伙伴。

　　材料系统将在今年晚些时候推出。增材元素不仅售卖材料，同时也支持其客户踏入增材制造的第一步，并解答其有关生产的局限性和可能性的问题。我们要面对的客户，不必在3D打印行业有很多经验，像建筑师店钳工，室内设计师或其他行业的人一样。因此，有必要提供一个全方位的服务。增材元素的创始人蒂洛克莱默解释道。他们将不断进步直至销售触动系统进行优化并适用于最大的3D打印设备为止。另外，增材元素正在研究能够适合特殊用途的不同表面处理的材料。这个研究将与他们的合作伙伴Trindo和DyeMansion一起进行，材料当然100%的生态。

　　科学家开发出能替代软骨的可3D打印生物玻璃

　　日前，英国科学家开发出了一种材料，这种材料可以模仿软骨并有可能刺激它重新生长。软骨是位于关节和脊椎之间的一种柔软的缔结组织，这种组织受到损伤之后很难修复。来自伦敦帝国学院（Imperial College London）和Milano-Bicocca大学的研究人员们已经开发出一种生物玻璃材料可以模拟真正软骨组织的减震和承重性。它可以通过特定的配方来表现出不同的特性。科学家们希望能够用它来开发植入物以取代椎骨之间受损的软骨盘。研究人员还通过让生物玻璃制品在办公桌上弹跳展示了其减震特性，这种特性类似于软骨缓冲我们的骨头的方式。

　　科学家们相信，它也有可能刺激膝盖的软骨细胞生长，这在以前是不可能通过传统的方式实现的。据了解，生物玻璃是由硅和一种叫做聚己内酯的聚合物组成的。它能够表现出类似软骨的属性，包括柔软、强韧、耐久而具弹性。它可以通过一种可生物降解的墨水形式生成，使得研究人员可以将其3D打印成某种特定的结构以促进软骨细胞在关节内的形成和生长——类似于它们在试管中所表现出的那样。另外，当受到损伤时，它还显示出自愈的特性，这一特性使其很适合用作可靠的植入物，而且当它以墨水的形式存在时更容易3D打印。

　　而且，研究团队已经开发出了一种配方，可以为那些椎间盘受损的患者提供一种替代的治疗方案。当脊柱的软骨退化时，会给患者造成很大的痛苦，当前比较常见的治疗方案是融合椎骨，但是这种方法影响到了病人的活动能力。

　　科学家们认为，他们能够开发出合成的生物玻璃软骨椎间盘植入物，其具有与真正软骨相同的力学性能。研究团队还开发出了另外一种配方，以改善膝盖软骨受损患者的治疗。当前，外科医生能够做到的只是创建一种疤痕样组织来修复受损的软骨，但是大多数患者最终还是要接受关节置换，从而降低了其活动能力。研究人员的目标是使用其生物玻璃墨水”3D打印出微小的可生物降解支架。这些可生物降解支架将提供一个复制膝关节真正软骨结构的模板。当这种支架被植入后，生物玻璃的结构、刚度、化学特性会刺激软骨细胞通过细微的孔隙生长。科学家们的设想是，随着时间的推移，支架会在人体内安全降解，在原有的位置留下新的软骨，这种软骨具有类似原始软骨的机械性能。

　　伦敦帝国学院材料系的Julian Jones教授是该生物玻璃材料的开发人员之一，他介绍说生物玻璃从上世纪60年代就已经出现了，最初是在越南战争期间帮助治愈退伍军人。而我们的研究表明，其最新的柔性版本可以用作类似软骨的材料。”目前，该研究团队已经获得了来自英国工程和物理科学研究理事会的资助以帮助他们将研究推进到下一阶段。未来他们将在实验室里对该技术进行一系列测试，并开发出一种手术方法来植入该植入物。他们还将与一些企业伙伴一起开发针对这种材料的3D打印技术。

　　来自 Milano-Bicocca大学的Laura Cipolla教授补充说我们使用生物纳米材料、蛋白质和碳水化合物的化学改性技术，设计出了一种新的化学方法，该方法迫使有机成分聚己内酯以一种稳定的方式与无机成分硅结合在了一起。不过这项技术的两个应用（即膝关节和椎间盘）在到达临床应用之前仍然有大量的监管障碍需要克服。研究团队预计这两种技术要真正进入市场估计还需十年时间。他们已经与Imperial Innovations共同申请了专利，后者是伦敦帝国学院的技术商业化合作伙伴。

　　科学家正研发可优化3D打印骨骼的材料配方

　　要制造一个好的框架来填补人体缺失的骨骼，用30%的粉状天然骨加上一些特殊的人造塑料，再用一台3D打印机打印出所需的形状即可。这就是约翰·霍普金斯大学的研究人员4月18日在线发表在《ACS Biomaterials Science & Engineering》杂志上的一篇论文的结论。约翰·霍普金斯大学的科学家们说，每年都会有大约20万人因为出生缺陷、创伤或手术原因需要更换头部或者脸部的骨骼。迄今为止，对于这些患者最好的治疗方案是从病人不承担身体重量的腓骨上取下一段骨头，然后把它切成所需的形状并植入正确的位置。但是该校医学院生物医学工程系副教授Warren Grayson博士认为，这种方法不仅会造成腿部创伤，而且由于腓骨相对比较直，难以跟脸部的曲线拟合得特别好。

　　为了解决这一问题，研究人员们转向了3D打印技术。众所周知，这一技术非常擅长用塑料制造出极其精确的结构——包括准确的解剖结构。不过放在塑料支架上的细胞需要一些引导因子才能够转变为骨细胞”。Grayson博士说理想的支架是另一块骨头，但是天然骨骼通常无法非常精确地重新塑造。”为此，Grayson和他的团队希望通过实验找到一种复合材料来3D打印骨骼支架，这种材料要能够将塑料的强度和可打印性与天然骨里存在的生物信息”结合起来。科学家们一开始就选择了聚己内酯（PCL），这是一种可降解聚酯，经常用于制造那些已经获得FDA批准可以用于临床的聚亚安酯。PCL会在80到100摄氏度的时候融化，这个融点低于大多数塑料，所以对于那些通常会在较高温度下损坏的生物材料来说，这是一个很好的混合对象。”Grayson团队里的研究生Ethan Nyberg说。

　　尽管PCL的强度很高，但是研究团队从以往的研究中了解到，它并不能很好地支持新骨的形成，所以科学家们将它与骨粉混合在一起。这种骨粉是将牛膝盖骨内部的多孔骨骼剥离细胞之后粉碎制成的。骨粉中含有源于生物体的结构蛋白再加上亲骨生长因子，可以帮助不成熟的干细胞成熟为骨细胞。”Grayson说它也增加了PCL的粗糙度，这有助于细胞的抓附和强化了生长因子的信息。”Grayson称他们对该复合材料进行的第一个测试是可打印性。其中5份骨粉含量为30%和70%的混合物表现出色。而当骨粉的比例达到85%时，由于PCL胶水”太少而不能保持清晰的晶格形状，因此在随后的实验中被淘汰。另外，为了研究该支架是否能够刺激骨骼形成，研究人员通过吸脂术为支架添加人类脂肪源性干细胞，并将支架浸在缺乏亲骨成分的营养培养基中。

　　EnvisionTEC推出牙科3D打印材料 已获FDA批准

　　来自德国的知名3D打印机生产商EnvisionTEC拥有十几年的历史，属于3D打印领域的早期开拓者之一，该公司在许多垂直市场都有相当坚实的客户基础，比如珠宝首饰、电子产品等。如今，该公司又把目光瞄向了牙科行业，为此他们推出了最新的3D打印材料E-Guard和E-Dent，该材料已经通过FDA的批准可以用于牙科。据了解，该公司可用于牙科的材料包括含蜡的聚合物材料（Press-E-Cast），这种材料可以用于制造精细的牙冠；以及经过FDA批准的E-Guard（可制造护牙合器）；还有E-Gum材料，这种材料可以在制造牙模上的牙冠和牙桥时使用。

　　我们很高兴能够在美国最大的牙科实验室展会上发布EnvisionTEC公司创新的3D打印材料系列中的最新成员。”EnvisionTEC公司CEO Al Siblani称。我们新的材料可以整个Perfactory和Vida系列3D打印机线上上使用，是高打印量牙科应用的理想材料。”这些新开发的材料都能够与EnvisionTEC现有的3D打印解决方案广泛兼容。比如他们的Perfactory Vida 3D打印机系列可以用它们来3D打印许多牙科和口腔正畸模型、牙合夹板、牙架和手术导板等。另一方面，他们新发布的Vida Crown & Bridge打印机，也可以用来创建部分牙科产品。另外，还有其它众多的EnvisionTEC 3D打印材料组成了该公司全面的数字牙科解决方案E-Partial——可以创建部分义齿框架用于铸造；Clear-Guide——用于创建高精度、透明的钻头导板以用于口腔外科；Ortho Tough——一种强度比较高的树脂，可以在高温条件下使用，比如通过真空热成型制造正畸矫正器等；E-Guard——经过FDA批准，具有生物相容性和透明的属性，可以用于制造护牙合器；E-Appliance——打印正畸模型的理想选择。

　　据悉，EnvisionTEC在芝加哥举办的LMT LAB DAY展会（2月26—27日）上展示了他们最新的 E-Guard 和E-Gum材料及其他数字牙科解决方案。三周之后，在含有70%粉骨的支架上的细胞的基因活性比纯PCL支架上生长的细胞高出几百倍，而在含有30%的骨粉的支架上的细胞的基因活性也很高，但没有前者那么令人印象深刻升幅。随后，科学家们将关键成分β-甘油磷酸加到细胞的培养基中，使它们的酶可以沉积骨骼的主要矿物质——钙。结果发现，与在纯PCL支架上的细胞相比，在30%骨粉支架上的细胞每个多产生大约30%的钙，而那些在70%支架上的细胞可以产生超过两倍的钙。

　　最后，研究团队将其支架在小鼠身上进行实验，这个实验小鼠的头骨被研究人员弄出了一个很大的洞，如果没有干预的话，这头骨的创面太大不可能自行愈合。在随后12周的实验里，研究人员将装满干细胞的支架植入小鼠的伤口，让新骨在洞里生长。CT扫描显示与纯PCL支架相比，那些含有30%或70%的骨粉的支架骨骼生长量至少增加了50%。虽然脱细胞"的牛骨已经被FDA批准可用于临床使用，研究人员们说，在今后的研究中，他们希望能测试人类骨粉，因为后者的临床应用更为广泛。

　　南昌大学研发出3D打印新型智能抗菌材料

　　上月，来自南昌大学的研究人员开发出了一种可以用在绷带里的胶囊，该胶囊里面存储着抗菌药物。使用者可以借助这种胶囊控制其活性，从而帮助其抗击具有耐药性的细菌。智能绷带中含有银纳米颗粒（AgNPs），这些颗粒被包裹在一层碳里，位于一层磷酸盐缓冲盐溶液（PBS）下方。使用者只需按压绷带，就会导致层层互动，释放出抗菌的银颗粒对多种药物都有抗性的细菌菌株是21世纪里人类面临的一个越来越普遍、越来越危险的威胁。为此，医生们需要一种创新的设备可以精确、即时提供抗菌剂，使病菌无法适应。

　　南昌大学化学学院教授王小磊及其同事开发出了一种特殊的抗菌材料，这种材料主要是一种被封闭在碳膜中的银纳米颗粒，可以作为可切换胶囊来使用。据了解，这种超分子胶囊可以调节抗菌银颗粒的活性，因此它具有三个不同的可切换模式——包装、开启和关闭。除此之外，尤为值得一提的是，这种材料还能够被3D打印成各种形状，用于广泛的用途，比如培养瓶里的智能瓶盖等。王小磊教授说，他们是在透射电子显微镜图像中观察到了一个意想不到的现象，从而获得了这一成果。在显微图像中，这些胶囊似乎就像日常包装水果的保鲜膜。

　　为了验证这些胶囊的特点，王小磊教授的研究小组将它们与膏药结合在一起。最终获得的智能绷带包括两层顶层含有灭菌的磷酸盐缓冲盐水，底层则包含了该抗菌胶囊。使用者只需简单地按压就会引起层间的相互作用，释放出活性银粒子，绷带的颜色也从白色变为橙色，显示绷带处于开启状态。而如果这些银颗粒聚集在一起则其抗菌作用关闭。来自路易斯安娜理工大学的生物活性疗法专家David Mills表示对于该研究成果印象深刻，称该可切换抗菌设备是融合了纳米技术、化学和材料科学的一个极好例子，同时也展示了3D打印对生物医学领域的影响。王的团队正在帮助实现这样一个未来，在这里医疗采用的是按需、高度个性化的方式，可以根据患者的个体特异性调整治疗手段。”点击此处了解关于该项研究的论文。

　　科学家开发出与人骨成分相似的3D打印材料

　　大约在20年前，Bob Pilliar教授开始寻找合成骨的替代材料。一度，塑料、金属和陶瓷都曾经被认为是可用于关节置换的最新和最好的材料，但是它们对患者的疼痛缓解和活动能力的恢复是有前提的，那就是这些材料不能持久。Pilliar被称为加拿大的陶瓷材料之父。如今，通过与另外两位研究者携手，已经成为多伦多大学牙医学院、生物材料与生物医学工程学院名誉教授的Pilliar找到了可以用来制造未来植入物的天然成分。要取代人造的膝关节和髋关节，他的部件必须是生物降解、持久和针对患者的特点量身定做的。

　　最终，研究人员们找到了一种以磷酸钙形式存在的有效配方。这种粉末是由与人类骨骼中同样的矿物成分组成的，它来自美国种子巨头孟山都公司已经放弃开发的一种可降解生物材料。经过一番研究，Pilliar和他的同事们相信自己已经找到了可以创建骨骼替代材料的正确化合物，在此之后他们需要的只是找到合适的制造方式。为此，一位年轻的机电一体化工程师Mihaela Vlasea接下了这个任务。她是增材制造领域中的高手。她根据这一材料的特点和要求，专门开发出了一台定制的3D打印机。据了解，这台设备有一个双门冰箱那么大，它使用紫外线来将磷酸钙粉末粘结在一起。使用这台机器，Vlasea以针尖大小的精度在植入内部制造管道和空腔。形象地说，这种3D打印的骨骼植入物就像一个蚁丘，其内部布满了用于运送养分的管道网络，而且这个网络的出口就是植入物表面的一个个小孔。一旦植入，人体的骨细胞就会在散播开来，并与骨骼结构机械互锁在一起。

　　除此之外，Pilliar教授也在开发人类软骨的替代物，如果成功，对于众多的关节炎患者来说无疑是一大福音。与我们的常识不同，关节炎患者实际上并不只限于城市里的老年人。这种疾病主要是由外伤、畸形的关节或运动损伤引起的。目前由于软骨细胞不能再生，对于它的治疗手段十分有限。作为这一骨骼项目的三个主要研究者之一，Kandel曾经与Pilliar教授和多伦多大学的研究员Marc Grynpas共同合作了二十多年。据她说，当今这种统一规格的植入物的使用寿命在20到30年之前，在此之后就需要再动手术来更换新的植入物。Kandel希望通过使用患者自己的组织和细胞打造的生物关节替换物”来解决这个问题。为此，Kandel尝试从患者的骨髓中提取干细胞，然后在实验室里重新编码，培养成不成熟的软骨细胞。这批细胞经过几个星期的时间之后成熟，研究人员将其层积在滑铁卢大学3D打印的钙磷酸盐植入物上并使其生长。该植入物一旦通过手术植入体内，就能够自然地发挥功能，甚至可以治愈自己。

　　Kandel将其称为生物性重铺表面（biological resurfacing）”，该技术进一步降低了植入物在植入人体之后遭受排异反应的可能性。如果你使用患者自己的细胞的话，它们就不会被人体认为是外来的异物。”她说并补充称这种新型的治疗手段可以从根本上阻止关节炎的发展。虽然这种定制植入物可能的价格到现在还不得而知，但Kandel预期该产品商业化之后会更加便宜，因为其使用的原材料价格很低。此外，她估计这类新型的人工关节生物替代物”在未来十年之内将得到广泛应用。与此同时，研究人员们正在通过动物试验来测试使用这种新方法修复小骨替代品德可行性，他们预计这一研究将还要持续两年。