Engineering綜述：適用于生物植入物的2D/3D/4D增材制造材料

2020年11月，南極熊注意到，著名學(xué)術(shù)雜志《Engineering》上刊登了一篇香港城市大學(xué)研究人員發(fā)表的綜述文章，“Development of Bioimplants with 2D, 3D, and 4D Additive Manufacturing Materials（可用于生物植入物開發(fā)的2D/3D/4D增材制造材料）”。



共同第一作者：劉果博士，何云虎，劉朋超博士
通訊作者：呂堅(jiān)教授

在過(guò)去的30年中，增材制造（AM）發(fā)展迅速，并在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。AM是一種面向材料的制造技術(shù)，因?yàn)椴牧瞎袒瘷C(jī)制，打印結(jié)構(gòu)精度，后處理過(guò)程和功能應(yīng)用均是基于打印材料的。但是，用于制造生物植入物的三維（3D）可打印材料仍然非常有限。在這項(xiàng)工作中，對(duì)用于生物植入物的2D/3D AM材料進(jìn)行了調(diào)研。此外，在呂堅(jiān)教授課題組先前開發(fā)的4D打印陶瓷前驅(qū)體及陶瓷材料的基礎(chǔ)上，本文提出了軟硬集成4D增材制造概念，并對(duì)其在人體系統(tǒng)中復(fù)雜而動(dòng)態(tài)的生物結(jié)構(gòu)上的潛在應(yīng)用做了展望。隨著多材料打印技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)期會(huì)有更多工作使用2D/3D/4D AM材料開發(fā)生物植入物和軟硬集成生物結(jié)構(gòu)。

生物植入物包括骨植入物，假肢，可穿戴生物傳感器和藥物輸送系統(tǒng)，主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)或臨床治療。 根據(jù)植入物中細(xì)胞成分?jǐn)?shù)量的差異，生物植入物分為以下三類：biological implants, biologized implants, and biofunctional implants。

• Biological implants以生物打印技術(shù)為代表，將活細(xì)胞包埋在水凝膠中，通過(guò)生物打印機(jī)制備成預(yù)制結(jié)構(gòu)。
• Biologized implants以惰性生物金屬材料為代表，將活細(xì)胞種植在材料的表面，這些材料包括不銹鋼（SS; 316L），鉭，金，鈷鉻（Co-Cr）合金，鈦（Ti）和鎳鈦合金等材料。
• biofunctional implants以表面處理技術(shù)為代表，將經(jīng)過(guò)表面處理的植入物植入體內(nèi)，生物活性表面得以生成，從而有利于細(xì)胞附著和增殖。
  

2D增材制造技術(shù)通常指的是通過(guò)涂層或其他表面處理技術(shù)在對(duì)象表層添加材料，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用可以提高生物植入物的力學(xué)性能，抗腐蝕性能以及與人體的生物兼容性，避免免疫排斥反應(yīng)等。鎂鈦合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能和生物可降解性能，是常用的植入物材料，通過(guò)離子束濺射，磁控濺射等方式在金屬表面加鍍薄膜，可以優(yōu)化植入物的生物功能性和生物兼容性。在鎂合金和鎂鈣合金基體上加入碳酸鈣和羥基磷灰石涂層的研究表明可有效增強(qiáng)植入物的抗腐蝕性能。香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士課題組的超強(qiáng)納米雙相鎂合金為生物植入物的涂層制備提供了新的選擇。此外，2D增材制造技術(shù)也廣泛應(yīng)用在在高分子材料植入物，組織修復(fù)工程和細(xì)胞治療等領(lǐng)域。

3D打印技術(shù)，又稱“增材制造”，是通過(guò)逐層定位堆積材料的方式實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜實(shí)體的構(gòu)建，具備精準(zhǔn)制造和個(gè)性化制造的優(yōu)點(diǎn)。從材料和技術(shù)方面分別對(duì)3D打印生物植入物進(jìn)行了總結(jié)：可用于3D打印植入物的材料包括高分子材料，陶瓷和金屬材料。高分子材料以美國(guó)FDA通過(guò)的聚己內(nèi)酯（PCL）、聚醚醚酮（PEEK）、聚乳酸（PLA）為代表，此外，還包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚乙烯醇（PVA）等。陶瓷材料主要用于骨科植入物的源材料，其中生物惰性陶瓷材料包括氧化鋯、氧化鋁，用作股骨頭假體；生物活性陶瓷以磷酸鈣基（羥基磷灰石，磷酸鈣，生物玻璃）為代表，可以與主體骨組織形成化學(xué)鍵。與惰性陶瓷相比，活性陶瓷材料的力學(xué)強(qiáng)度明顯不足，但是生物學(xué)反應(yīng)占優(yōu)。金屬材料包括Ti基合金（代表：Ti-6Al-4V，Ti-6Al-7Nb,Ti-5Al-2.5Fe）、不銹鋼材料（316L SS）、Co基合金、Mg基合金、Zn基合金和Fe基合金等。

3D打印方法方面，該文分別從融化沉積成型（FDM），直寫技術(shù)（DIW），平板印刷（SLA）、選擇性激光熔融（SLM）、電子束熔融（EBM）及生物打印技術(shù)方面進(jìn)行了總結(jié)，如下表所示。


4D打印技術(shù)通常指的是經(jīng)3D打印成型的物體在外界刺激，例如光，電，聲， 熱， 磁的刺激下實(shí)現(xiàn)構(gòu)型和功能的變化。高分子，陶瓷，金屬材料均可實(shí)現(xiàn)4D打印，4D材料的構(gòu)型改變能力使其可以應(yīng)用于體內(nèi)動(dòng)態(tài)環(huán)境。本文總結(jié)了各種4D材料的變形機(jī)制以及打印制備過(guò)程，包括水凝膠，形狀記憶高分子，磁性高分子材料，金屬材料等，闡述了不同材料在軟驅(qū)動(dòng)器，智能器件等方面的應(yīng)用。

本文提出了軟硬集成4D增材制造材料的概念，人體系統(tǒng)中柔軟和堅(jiān)硬的生物結(jié)構(gòu)融合并一同發(fā)揮功能，從而實(shí)現(xiàn)了類似太極陰陽(yáng)剛?cè)岵��?jì)的平衡。研究人員打印出具有不同力學(xué)性能的構(gòu)件，可匹配適用于多種生物植入物，例如牙齒，骨板，軟骨，韌帶等。這種方法為制備復(fù)雜的，具有梯度力學(xué)性能的生物植入物提供了新的思路。

目前通過(guò)混合陶瓷前體/陶瓷材料實(shí)現(xiàn)的軟硬集成4D 增材制造概念，有望擴(kuò)展到其他二元或多組元系統(tǒng)。在多材料打印等技術(shù)的輔助下，更多具有功能梯度界面的軟硬集成結(jié)構(gòu)產(chǎn)品值得期待。隨著2D/3D/4D增材制造材料的發(fā)展和集成，將會(huì)有更多有創(chuàng)新性的生物植入物開發(fā)出來(lái)，以適應(yīng)人體系統(tǒng)中復(fù)雜而動(dòng)態(tài)的生物環(huán)境。


在未來(lái)的研究中，多材料打印的技術(shù)將不僅適用于打印主體材料，還適用于打印支撐材料及介質(zhì)材料。隨著不同模量材料的墨水系統(tǒng)的開發(fā)，仿生雜化材料系統(tǒng)將會(huì)在突破強(qiáng)度韌性不可兼得的普遍矛盾上取得廣泛的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。多維度增材制造，增材/減材制造技術(shù)的集成，以及預(yù)應(yīng)力工程的應(yīng)用，將會(huì)為增材制造材料和技術(shù)的學(xué)術(shù)研究和工業(yè)應(yīng)用提供廣闊的發(fā)展機(jī)會(huì)。

呂堅(jiān)教授簡(jiǎn)介

呂堅(jiān)教授現(xiàn)任香港城市大學(xué)（研究及科技）副校長(zhǎng)及研究生院院長(zhǎng)，機(jī)械工程學(xué)院講座教授，先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料研究中心主任，香港工程科學(xué)院院士，法國(guó)國(guó)家技術(shù)科學(xué)院院士。2006年及2017年曾兩次獲得由法國(guó)總統(tǒng)親自任命的“法國(guó)政府頒授法國(guó)國(guó)家榮譽(yù)騎士勛章”及“法國(guó)國(guó)家榮譽(yù)軍團(tuán)騎士勛章”，2018年獲得“中國(guó)工程界最高獎(jiǎng)”第十二屆光華工程科技獎(jiǎng)。呂堅(jiān)教授的研究方向涉及先進(jìn)納米結(jié)構(gòu)材料的制備和力學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)力學(xué)，材料表面工程和仿真模擬，生物與仿生材料力學(xué)，航空航天材料與結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力工程，3D打印先進(jìn)材料與產(chǎn)品集成設(shè)計(jì)等。


論文鏈接
LIU Guo, HE Yunhu, LIU Pengchao et al. Development of Bioimplants with 2D, 3D, and 4D Additive Manufacturing Materials. Engineering, 2020.
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2095809920302733

很好的總結(jié)性內(nèi)容