计算机技术在医用材料领域中的应用
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作者:张杨
摘要：随着科学技术的迅猛发展，3D打印技术目前受到科学界和医学界广泛的关注。3D打印技术能够根据预先设计建立的物样模型，通过数字识别与分析技术，将设计的物样打印出来，像医学中的人造骨骼、牙齿、器官等都可以通过3D打印技术打印出来，这将给生物医学领域带来极大的便利。然而，3D打印技术在医学中最大的应用瓶颈就是打印材料，就当前的发展情况而言，可用于医学3D打印的材料种类主要有金属、陶瓷、高分子聚合物、生物墨水等，其特点是分布范围较广，但是种类极少，相对稀缺。本文将围绕“计算机技术在医用材料领域中的应用”这一话题，详细分析了3D打印技术在医用金属材料、医用无机非金属材料、医用高分子材料、复合生物材料等方面的具体应用情况。
关键词：计算机技术;医用材料;3D打印技术
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）10-0079-04
3D打印技术是近几年来一项伟大的发明技术，它是一种同时集计算机、数字控制及自动化技术、光、电、机械、材料为一体的先进制造技术，目前已经在航空航天、军工、医学、建筑、电子数码等多个领域得到广泛应用。实际上，从理论上来讲，所有的材料都可以用于3D打印，但由于打印产品的性能要求不同，打印材料的局限性严重阻碍了打印技术的发展，这已成为当前推广普及3D打印技术的瓶颈。其中研究在生物医学上应用的材料最引人注目，因为这方面的材料最难做、费用最高。并且还要考虑到材料的强度、安全性、生物相容性、组织工程材料的可降解性等问题。
13D打印技术在医用金属材料中的应用
一直以来，3D打印技术在打印材料的选择上更多地还是以塑料为主。金属材料较之于塑料，其力学强度、导电性能、导热性能、延展性能以及生物相容性会更好，因而在生物硬组织修复方面，金属材料具有天然的优越性能。关于3D打印技术在医用金属材料中的应用，本文将着重阐述三部分内容，即：Sahod打印材料、液态金属Ga67In20.5Sn12.5合金材料（熔点约为11℃）。Sahod打印材料主要包括钛合金、铝合金、钴铬合金、不锈钢材料。第四军医大学利用3D打印技术打印了与患者锁骨和肩胛骨完全相同的钛合金植入假体，其功能和外形得到了医生高度认可，并且与人体骨骼的匹配性和相容性也更好，这为推进3D打印金属材料骨骼修复技术的进一步成熟应用做出了巨大的贡献。中国科学院理化技术研究所以液态金属Ga67In20.5Sn12.5为打印材料，在生命体组织内部成功打印出了3D液态金属RFID天线。他们首先用微注射器将与生物体相容性良好的封装材料注入目标组织中，待其形成固化结构后，再将导电金属墨水和配套的微/纳尺度器件顺次注射，最终在人体生物组织中成功植人预设的目标电子装置。此项技术巧妙地融合了临床医学中的微创手术技术，具有高适应性、高适形性、低成本等优点，在植人式生物医用电子技术领域具有十分广阔的应用前景。近几年来，以纳米级金属粉末为原料通过3D打印技术打印医用产品备受关注。实践表明，纳米金属粉末作原料打印出的医用材料能够显著提升或改善成品的理化性能。最大的问题是纳米金属粉末材料加工技术水平局限性过大、生产效率太低、制造成本很高，这严重制约了其产业化和商业化发展。
23D打印技术在医用无机非金属领域中的应用
3D打印技术在医用上有着重要的应用，特别是无机非金属领域上，当前无机非金属主要在生物陶瓷、玻璃等领域上有着重要的应用。本文重点介绍3D打印技术制造生物陶瓷和生物玻璃。生物陶瓷因其具备高强度、高硬度、耐高温、质轻、抗腐蚀性能好等特点，目前已经广泛地用于制造人造骨骼、假体矫形等医学领域。在加工制造生物陶瓷的过程中，由于其自身具有硬而脆的特点，导致生物陶瓷很容易碎裂，特别是一些内部结构复杂的生物陶瓷材料，其加工加工难度十分巨大。针对生物陶瓷制作工艺复杂、成型加工困难的问题，人们提出采用先进的3D打印技术来加工制作内部结构复杂的生物陶瓷。就当前的发展情况来看，使用较多的生物陶瓷打印原料有磷酸钙、磷酸二正硅酸钙、双相磷酸钙、硅酸钙/β-磷酸三钙等。例如，通过3D技术所打印出来的生物陶瓷支架，在实际应用当中，可以起到促进人体细胞的成骨性分化作用。而且通过相关的研究，证实主材料为羟基磷灰石所打印出来的3D人体组织支架，可以起到促进人体神经鞘干細胞往成骨细胞方向分化。而且，在实际应用当中，如果β-磷酸三钙含量在不断增加，人体组织支架中的硅元素的释放量也会不断增多，从而更好地促进成骨细胞的分化。再如，用3D打印技术制作的生物陶瓷材料还可以用在医学美容整形上，这大大简化了医学美容整形的操作步骤，使之能够实现一次性精确整形。除此之外，由于3D技术适用范围广，技术操作灵活，能够更好地满足不同用户的差异性需求，并且获得良好的反响。
与生物陶瓷一样，生物玻璃3D打印技术也是当前医用材料领域研究的热门话题。生物玻璃属于一种混合物，主要包含的物质比较多，比如有钠元素、硅元素、钙元素以及磷元素等，而且生物玻璃内部内置主要是硅酸盐，而且分子的排列是无规则的。生物玻璃中所蕴含的物质离子，在一定的条件下，可以生成复合物，比如生物玻璃中的离子在一定的化学反应条件下，可以通过化学反应形成含有羟基磷酸钙的复合物，仿生性能很高，因而常用来作为生物骨组织中主要的无机成分。生物玻璃材料与生物骨组织的相容性很好，生物玻璃内部特有的网状结构有助于诱导骨组织的再生。此外，对用生物玻璃为材料经3D打印技术打印出的人造骨骼进行力学性能分析，发现其骨骼强度及脆度均比人体原骨骼性能优。
33D打印技术打印医用高分子材料
3D打印技术打印医用高分子材料大体上经历了三个主要的发展阶段。第一阶段是直接利用已经合成好的高分子聚合物作为打印材料;第二阶段是从有机物单体加聚反应、缩聚反应的层面在分子水平上设计出具有特殊性能要求的有机高分子聚合物材料;第三是寻找能够主动诱导、刺激人体损伤组织再生修复的生物活性材料，这也是当前研发3D打印高分子材料技术所面临的主要难题。当前在医用高分子材料中应用的3D打印基础主要有两种模式，分别是熔融沉积打印模式和紫外光固化打印模式。其中，熔融沉积打印模式主要是针对热速性能比较好的高分子材料，比如聚乳酸高分子材料。紫外光固化打印多采用液体光敏合成树脂，这是一种复杂的混合物材料，内含单体、预聚体、固化剂、稀释剂等，这些物质含量的多少都会直接影响到最终打印产品的性能。因为使用3D技术所打印出来的人体组织支架，能够对支架的形状、尺寸以及孔结构等进行控制和调整，所以和传统的人体组织支架相比，3D打印技术打印出来的人体组织支架具有更多的优势。例如，Paulius Danilevi.cius等人采用激光三维打印技术制备了具有三维结构的多孔PLA支架，并研究了支架的孔隙率对活体细胞生长、繁殖、粘附作用的影响。通过打印不同孔隙率的PLA支架，并对各自的性能进行比较分析，最终找到最适合作为生物组织支架的三维多孔PLA模型。 43D打印技术打印复合生物材料
复合材料指的是由两种及两种以上具有不同物理性质和化学性质的材料复合而成的材料。复合材料包括基体和增强体两部分，基体通常是连续相的，增强体通常是分散相的。复合材料能够同时兼具其组分材料的性能优势，被广泛地应用在在人工组织器官制造、修复理疗、诊断、医疗保健等方面。以复合材料为加工原料进行3D打印加工处理，其最大的优势就是各个组成部分相互弥补、取长补短。Falguni Pati等人在进行3D脂肪组织支架工程的研究过程中分别做了以下两种实验：第一组用PCL为框架，通过3D打印在PCL框架内部打印出具有固定形状和孔洞的三维脱细胞脂肪支架;第二组直接用脱细胞脂肪组织为载体，在载体上负载目标细胞后制成凝胶，然后用3D打印技术将制备好的凝胶打印在PLC框架内。最后将两组实验中打印好的脂肪组织支架植人实验小鼠体内，最终的实验结果表明，第二组实验各项评价指标测试结果均优于第一组实验。一方面，这说明3D打印复合材料实用性很好，能满足多种材料打印要求;另一方面，上述对照实验说明通过3D打印技术能够实现多种材料复合打印，使复合材料中的各个组成部分相辅相成，集中体现了各个组分材料的性能优势。除此之外，运用3D技术打印复合材料还具有很好的可调性。如果使用单一组分的材料或合金材料打印医用材料，受材料组分的影响，最终的产品效果性能往往较为单一，因而适用范围较小。复合材料由于能够调节其基体、增强体的数量、种类、配比、复合条件，对于完善弥补单一组分材料性能上的局限性大有裨益。
5细胞参与的生物3D打印材料
经过大量前期重复性实验，科学家们发现将生物活体细胞与3D打印支架共同培养，生物活体细胞能够在多种3D打印支架上大量存活，并且能够延续原有的正常生物活性，并且活体细胞的成活效果相对于普通的二维培养效果要好的多。以上文提到的3D打印技术打印的PCL支架为例，将生物活体细胞与PCL支架混同培养，共同制成“生物墨水”，从而可以打印出临床上所需的生物组织材料。但是，受当前相关技术水平的限制，当前的生物细胞与材料混合打印技术准确来讲应该称之为“非直接细胞参与的生物3D打印”。实际上，细胞直接参与的生物3D打印是一门综合性很强的多学科交叉技术，涉及到生物医学、计算机科学与技术、网络工程技术、分子生物学、化学生物学等多门学科，且上述学科大都是同时涵盖多门基础学科的交叉性学科。目前，在细胞参与的生物3D打印材料的选择上，研究的热点聚焦在“水凝胶”上。什么是“水凝胶”呢？原来，水凝胶是一种新型生物医用材料，它是由具有生物交联网络结构的高聚物和介质共同组成的多元体系。医学临床上常用的水凝胶由于其理化组成近似于生物细胞外基质，故而其生物相容性很好。因为医用水凝胶对于生物细胞的粘附能力不强，所以当细胞和医用水凝胶混合之后，所以医用水凝胶也不会对生物细胞造成影响，从而保证生物细胞的正常活性。相反，以医用水凝胶为外包物，一方面能够为生物活体细胞的正常生命活动提供代谢环境和生长空间，另一方面，也能够有效地防止生物活体细胞遭到外界环境的影响。在实际的应用过程中，是将医用水凝胶、生物交联剂、生物活体细胞三者互相混合后，做成“生物墨水”，以此为原材料进行打印。例如，美国康奈尔大学将I型胶原蛋白水凝胶与牛耳活细胞组成的“生物墨水”，通过3D打印技术来将人体的耳廓成功地打印出来，通过3D打印技术所打印出来的人造耳廓和正常耳廓不管是在外形上还是功能上都有着很大的相似度，所以将3D打印技术打印出来的人造耳廓植入人体之后，能够和人体机体之间呈现出良好的生物相容性，保证人体生命体征的正常性和稳定性。另一种则是取出患者的部分肋软骨雕刻出新的耳廓。该项实验的成功使人们意识到，可以将患者的人耳细胞与I型胶原蛋白水凝胶混合作为“生物墨水”，从而打印出能够与患者人体相容性很好的生物细胞，并进行移植。此项技术将会引发医疗整形行业未来的一场技术性革命。
63D打印技术在医用材料领域应用未来展望及趋势分析
综合以上所述，3D打印技术目前已经成为医用材料领域中的应用及研发热门技术，其应用效果也日益明显。这主要源于以下三点原因：①3D打印技术克服了医学中生物组织损坏和人体器官衰竭的困难。运用3D打印技术能够为每一位患者打印出专属的人体移植器官，这实际上相当于为每一个人都建造了一套属于自己的组织器官储备库。②在表皮修复和医学美容技术上，3D应用技术的应用水平也将进一步提高。随着3D打印技术打印精度的材料适应性的进一步提升，人体各部位的修整与融合技术会日臻完美。③3D打印技術广泛地应用于医用器材及医学用品打印上，像呼吸导管、手术工具、内组织修复工具等。通过加强3D打印技术在医用材料领域上的应用，不仅可以减少获取医疗用品的时间，还能够有效地简化用品的获取换届，从而有效地解决当前存在存在的医疗用品补助的问题。未来3D打印技术在医用材料领域上有着重要的应用，笔者认为，当前应当加强3D打印技术在生物材料的应用上，通过3D打印技术所打印出来的生物材料，在处理前后存在较多问题，比如收缩率大，材料中的添加剂对生物体有害等。因此，要研发更多的理化改性技术，提高生物打印材料的性能，研发出更多性能优异、稳定性好、生物相容性高的打印材料。
信息时代下，计算机应用技术及互联网应用技术正逐步渗透到社会各行各业，深刻的改变着社会生产和居民的日常生活。对于医用材料而言，3D打印技术的成熟和推广对其带来了革命性变化，这既是机遇也是挑战。一方面，3D打印技术在产品打印上的技术局限性小，能够根据医学上的临床需要，打印出性能优良、生物相容性高的生物产品。另一方面，3D打印技术在医用材料上的要求门槛比较高，这在一定程度上限制了其应用推广。但毋庸置疑的是3D打印技术在未来必将有着十分广阔的前景。
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