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，著名學術雜志《Engineering》上刊登了一篇香港城市大學研究人員發(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：呂堅教授

在過去的30年中，增材制造（AM）發(fā)展迅速，并在生物醫(yī)學應用中顯示出巨大的潛力。AM是一種面向材料的制造技術，因為材料固化機制，打印結構精度，后處理過程和功能應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。在這項工作中，對用于生物植入物的2D/3D AM材料進行了調研。此外，在呂堅教授課題組先前開發(fā)的4D打印陶瓷前驅體及陶瓷材料的基礎上，本文提出了軟硬集成4D增材制造概念，并對其在人體系統中復雜而動態(tài)的生物結構上的潛在應用做了展望。隨著多材料打印技術的發(fā)展，可以預期會有更多工作使用2D/3D/4D AM材料開發(fā)生物植入物和軟硬集成生物結構。

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，主要應用于醫(yī)學或臨床治療。 根據植入物中細胞成分數量的差異，生物植入物分為以下三類：biological implants, biologized implants, and biofunctional implants。

• Biological implants以生物打印技術為代表，將活細胞包埋在水凝膠中，通過生物打印機制備成預制結構。
• Biologized implants以惰性生物金屬材料為代表，將活細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以表面處理技術為代表，將經過表面處理的植入物植入體內，生物活性表面得以生成，從而有利于細胞附著和增殖。
  

2D增材制造技術通常指的是通過涂層或其他表面處理技術在對象表層添加材料，其在生物醫(yī)學領域的廣泛應用可以提高生物植入物的力學性能，抗腐蝕性能以及與人體的生物兼容性，避免免疫排斥反應等。鎂鈦合金具有優(yōu)良的力學性能和生物可降解性能，是常用的植入物材料，通過離子束濺射，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植入物的抗腐蝕性能。香港城市大學呂堅院士課題組的超強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增材制造技術也廣泛應用在在高分子材料植入物，組織修復工程和細胞治療等領域。

3D打印技術，又稱“增材制造”，是通過逐層定位堆積材料的方式實現三維復雜實體的構建，具備精準制造和個性化制造的優(yōu)點。從材料和技術方面分別對3D打印生物植入物進行了總結：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FDA通過的聚己內酯（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鍵。與惰性陶瓷相比，活性陶瓷材料的力學強度明顯不足，但是生物學反應占優(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（DIW），平板印刷（SLA）、選擇性激光熔融（SLM）、電子束熔融（EBM）及生物打印技術方面進行了總結，如下表所示。


4D打印技術通常指的是經3D打印成型的物體在外界刺激，例如光，電，聲， 熱， 磁的刺激下實現構型和功能的變化。高分子，陶瓷，金屬材料均可實現4D打印，4D材料的構型改變能力使其可以應用于體內動態(tài)環(huán)境。本文總結了各種4D材料的變形機制以及打印制備過程，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動器，智能器件等方面的應用。

本文提出了軟硬集成4D增材制造材料的概念，人體系統中柔軟和堅硬的生物結構融合并一同發(fā)揮功能，從而實現了類似太極陰陽剛柔并濟的平衡。研究人員打印出具有不同力學性能的構件，可匹配適用于多種生物植入物，例如牙齒，骨板，軟骨，韌帶等。這種方法為制備復雜的，具有梯度力學性能的生物植入物提供了新的思路。

目前通過混合陶瓷前體/陶瓷材料實現的軟硬集成4D 增材制造概念，有望擴展到其他二元或多組元系統。在多材料打印等技術的輔助下，更多具有功能梯度界面的軟硬集成結構產品值得期待。隨著2D/3D/4D增材制造材料的發(fā)展和集成，將會有更多有創(chuàng)新性的生物植入物開發(fā)出來，以適應人體系統中復雜而動態(tài)的生物環(huán)境。


在未來的研究中，多材料打印的技術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材料。隨著不同模量材料的墨水系統的開發(fā)，仿生雜化材料系統將會在突破強度韌性不可兼得的普遍矛盾上取得廣泛的結構應用。多維度增材制造，增材/減材制造技術的集成，以及預應力工程的應用，將會為增材制造材料和技術的學術研究和工業(yè)應用提供廣闊的發(fā)展機會。

呂堅教授簡介

呂堅教授現任香港城市大學（研究及科技）副校長及研究生院院長，機械工程學院講座教授，先進結構材料研究中心主任，香港工程科學院院士，法國國家技術科學院院士。2006年及2017年曾兩次獲得由法國總統親自任命的“法國政府頒授法國國家榮譽騎士勛章”及“法國國家榮譽軍團騎士勛章”，2018年獲得“中國工程界最高獎”第十二屆光華工程科技獎。呂堅教授的研究方向涉及先進納米結構材料的制備和力學性能，實驗力學，材料表面工程和仿真模擬，生物與仿生材料力學，航空航天材料與結構預應力工程，3D打印先進材料與產品集成設計等。


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

很好的總結性內容