生物基復(fù)合材料在3D打印中的現(xiàn)狀與發(fā)展

來源： 中國復(fù)材

生物質(zhì)基復(fù)合材料，或稱生物復(fù)合材料，是由兩種或兩種以上不同材料復(fù)合制造而成，其中至少一種為生物質(zhì)基材料。這些復(fù)合材料不僅結(jié)合了各自組分的特性，還展現(xiàn)出優(yōu)于單一材料的綜合性能，如改善的熱學(xué)、電學(xué)、生物學(xué)和機(jī)械強(qiáng)度等。這一點(diǎn)在可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境友好的材料開發(fā)領(lǐng)域尤為重要。
生物質(zhì)基復(fù)合材料的開發(fā)主要來源于木材、農(nóng)作物、農(nóng)林廢棄物、水生生物質(zhì)（例如水生植物和海藻）、微生物等多樣化的自然資源。通過物理、化學(xué)和生物技術(shù)的綜合應(yīng)用，科學(xué)家們能夠制造出具有特殊性能的材料。這些材料不僅具有生物降解性，還能提供可持續(xù)性和環(huán)境友好性的優(yōu)勢，這在當(dāng)前全球面臨的環(huán)境挑戰(zhàn)和資源限制的背景下尤為重要。

3D打印技術(shù)的引入為生物質(zhì)基復(fù)合材料的應(yīng)用開辟了新的可能性。這種技術(shù)使得復(fù)雜結(jié)構(gòu)和定制化設(shè)計(jì)成為可能，進(jìn)一步擴(kuò)展了生物質(zhì)基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。例如，在醫(yī)療、建筑、航空航天等領(lǐng)域，生物質(zhì)基復(fù)合材料的3D打印應(yīng)用正逐漸成為現(xiàn)實(shí)。
總的來說，以生物質(zhì)基材料為基礎(chǔ)的復(fù)合材料，不僅代表了材料科學(xué)的一個(gè)重要發(fā)展方向，更是響應(yīng)了全球環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的時(shí)代訴求。結(jié)合3D打印等現(xiàn)代制造技術(shù)，生物質(zhì)基復(fù)合材料的未來充滿無限可能，將在眾多領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。

生物基材料在3D打印中的應(yīng)用現(xiàn)狀
打印技術(shù)，以其在成型技術(shù)上的多樣性和靈活性，正在引領(lǐng)制造領(lǐng)域的一場革命。當(dāng)前主流的3D打印技術(shù)包括熔融層積成型技術(shù)（FDM）、選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）、立體平版印刷技術(shù)（SLA）、數(shù)字光處理成型技術(shù)（DLP）和Polyjet等。這些技術(shù)利用的原材料多種多樣，如熱塑性材料、金屬、石膏、玻璃纖維、陶瓷粉末、光敏樹脂等，滿足了從簡單構(gòu)件到復(fù)雜機(jī)械部件的打印需求。

圖 常用3D打印技術(shù)及其耗材

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D生物打印技術(shù)正展現(xiàn)其獨(dú)特價(jià)值。主要技術(shù)包括噴墨法、擠出沉積法、光固化成型、激光輔助法等，使用的材料多為溶液、懸浮液、水凝膠和光敏樹脂。這些技術(shù)能夠通過噴墨、激光、聲波和閥門控制等方式進(jìn)行打印，并通過物理或化學(xué)交聯(lián)、凝結(jié)或沉積等方式實(shí)現(xiàn)固化。其應(yīng)用領(lǐng)域包括打印支架材料、血管、瓣膜、骨骼等，對生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。生物質(zhì)基復(fù)合材料的研發(fā)，結(jié)合了3D打印技術(shù)，為制造業(yè)帶來了新的突破。生物質(zhì)基材料，如木質(zhì)纖維素，作為一種可再生資源，通過3D打印技術(shù)可以精確設(shè)計(jì)并快速制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料。這種結(jié)合不僅體現(xiàn)了生物質(zhì)基材料的可持續(xù)性和環(huán)保特性，也利用了3D打印在設(shè)計(jì)自由度和制造效率上的優(yōu)勢。因此，生物質(zhì)基復(fù)合材料的3D打印技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)療器械制造、機(jī)械和模具制造、藝術(shù)品和服裝設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到了快速應(yīng)用。

表 生物基復(fù)合材料及其在3D打印中的應(yīng)用場景

近年來，3D打印技術(shù)結(jié)合不同的生物質(zhì)基材料，尤其是木質(zhì)纖維素材料的研究進(jìn)展顯著。這些新型材料在增強(qiáng)生物降解性、改善環(huán)境足跡以及提高材料性能等方面展現(xiàn)出巨大潛力，為可持續(xù)發(fā)展和綠色制造提供了新的可能性。隨著這些技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，我們可以期待在未來看到更多生物質(zhì)基復(fù)合材料在各行各業(yè)中的創(chuàng)新應(yīng)用。

生物基材料在3D打印中的前沿應(yīng)用
1木質(zhì)纖維素的前沿應(yīng)用
木質(zhì)纖維素材料，作為一種可持續(xù)、環(huán)境友好的綠色材料，日益受到重視。它們主要來源于木材、農(nóng)作物和農(nóng)林廢棄物，并包括從這些生物質(zhì)基材料中分離提取的組分，如纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。這些材料因其廣泛的來源、可持續(xù)再生性、生物降解性、無毒無害性質(zhì)以及良好的生物相容性，被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如造紙、制藥、化妝品、食品和化工等。

然而，木質(zhì)纖維素材料在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)，主要是因?yàn)樗鼈冏陨頍o法熔融或溶解于常規(guī)溶劑。這一局限性制約了木質(zhì)纖維素材料在傳統(tǒng)3D打印技術(shù)中的應(yīng)用。為此，研發(fā)新型溶劑、對木質(zhì)纖維素材料進(jìn)行改性修飾，以及改造現(xiàn)有3D打印機(jī)以適應(yīng)木質(zhì)纖維素材料，成為了該領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。
開發(fā)新型溶劑的目的是使木質(zhì)纖維素材料能夠在3D打印過程中被有效處理。此外，通過化學(xué)或物理方法對木質(zhì)纖維素材料進(jìn)行改性，可以增強(qiáng)其在3D打印中的加工性能。最后，改造現(xiàn)有的3D打印機(jī)，使其能夠處理木質(zhì)纖維素材料，也是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑。
這些創(chuàng)新開發(fā)不僅拓寬了木質(zhì)纖維素材料的應(yīng)用范圍，而且提高了其在3D打印領(lǐng)域的實(shí)用性。隨著這些技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和完善，預(yù)計(jì)未來木質(zhì)纖維素材料將在3D打印領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，特別是在環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展方面，它們將為多個(gè)行業(yè)提供新的材料解決方案。

圖 木質(zhì)纖維素3D納米打印

2藻類生物質(zhì)材料的3D打印
水生或海生生物質(zhì)材料，在3D打印領(lǐng)域，尤其是3D生物打印技術(shù)中，扮演著至關(guān)重要的角色。這類材料的代表性原料包括海藻酸鈉和瓊脂糖，它們主要從海藻中提取。海藻酸鈉是一種存在于褐藻細(xì)胞壁中的線性多糖，由古洛糖醛酸和甘露糖醛酸組成，帶有負(fù)電荷。這種多糖因其出色的生物相容性和可生物降解性，以及與陽離子（例如鈣離子）結(jié)合形成凝膠的能力，而在包括3D生物打印在內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
海藻酸鈉在3D生物打印中的應(yīng)用體現(xiàn)在其水凝膠形式。基于海藻酸鈉的生物油墨通常包含海藻酸鈉水凝膠、細(xì)胞、功能肽和其他功能性聚合物。這些生物油墨可以通過調(diào)整海藻酸鈉的分子量、固含量和打印參數(shù)來適應(yīng)不同的3D打印技術(shù)。例如，基于擠出、噴墨和激光輔助的生物打印技術(shù)對生物油墨的流體力學(xué)性能有不同的要求。

海藻酸鈉水凝膠的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是其剪切稀化效應(yīng)，這使得材料在打印過程中更易于處理，同時(shí)它的生物降解性能可以被有效控制。這些特性使得海藻酸鈉水凝膠在3D生物打印領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著3D生物打印技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，基于海藻酸鈉等水生或海生生物質(zhì)材料的應(yīng)用將在生物醫(yī)學(xué)和其他相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

圖 常見的 藻類生物質(zhì)材料的3D打印

市場現(xiàn)狀
當(dāng)前，3D生物打印技術(shù)已成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要分支，主要包括噴墨生物打印、擠壓生物打印和激光輔助生物打印三大類。這項(xiàng)技術(shù)融合了多個(gè)學(xué)科的知識(shí)和技能，對再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的影響尤為顯著。通過3D生物打印，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了諸如器官、細(xì)胞、血管等多種醫(yī)學(xué)構(gòu)造的打印，這被認(rèn)為是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一次技術(shù)革命。
根據(jù)SmartTech的報(bào)告，生物3D打印市場的前景十分廣闊，預(yù)計(jì)到2028年，市場規(guī)模將達(dá)到12億美元。這一預(yù)測反映出該領(lǐng)域的巨大潛力和發(fā)展機(jī)遇。然而，盡管市場潛力巨大，生物3D打印技術(shù)目前仍處于發(fā)展的早期階段，面臨著諸多挑戰(zhàn)。
特別是在打印移植器官方面，雖然取得了一定的進(jìn)展，但離實(shí)際臨床應(yīng)用仍有相當(dāng)長的路要走。技術(shù)的精確度、可靠性以及與人體相容性等因素都是目前需要克服的重要挑戰(zhàn)。隨著科研的不斷深入和技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，生物3D打印有望在未來為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來更多突破和創(chuàng)新。
表 全球頭部企業(yè)一覽

1）Bico

2020年以來，Bico成功轉(zhuǎn)型為一家專注于生物融合的公司，將其業(yè)務(wù)范圍從生物打印拓展至更廣泛的生命科學(xué)技術(shù)和工業(yè)解決方案。這一轉(zhuǎn)型通過一系列的戰(zhàn)略收購得到了顯著加強(qiáng)，使Bico成為生物3D打印領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊之一。收購歷程包括：2019年8月，Bico以3025萬歐元收購Cytena，引入單細(xì)胞3D打印技術(shù)；2020年8月，以8000萬歐元收購Scienion及其子公司Cellenion，加強(qiáng)細(xì)胞3D打印技術(shù)；2021年5月，以5000萬歐元收購Nanoscribe，融入2PP技術(shù)，增加微納級(jí)3D打印功能；2021年8月，以1500萬美元收購Advanced BioMatrix，獲取生物墨水和試劑產(chǎn)品；2021年12月，以1.65億美元收購Biosero，掌握生物打印自動(dòng)化技術(shù)。Bico之所以能展開這樣的收購之旅，源于其強(qiáng)大的盈利能力和充足的現(xiàn)金流。據(jù)財(cái)報(bào)，Bico在2022年前三個(gè)季度的凈銷售額約1.5億美元，同比增長112%。即便在經(jīng)濟(jì)不景氣的環(huán)境下，Bico憑借其強(qiáng)勁的造血能力，為其收購行動(dòng)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3D Systems，一家先驅(qū)于3D打印技術(shù)的公司，已成功生產(chǎn)超過200萬個(gè)醫(yī)療設(shè)備系列組件和14萬個(gè)特定于患者的手術(shù)病例。現(xiàn)在，該公司正尋求擴(kuò)展其在生物打印領(lǐng)域的臨床應(yīng)用，調(diào)整和利用現(xiàn)有技術(shù)，以提高患者護(hù)理的質(zhì)量。這包括從細(xì)胞生物可吸收裝置到用于移植的功能化實(shí)體器官的多種臨床應(yīng)用。

2）3D Systems
近期，3D Systems成立了專注于生物3D打印的子公司Systemic Bio。該子公司專注于開發(fā)血管化器官模型，這些模型由水凝膠和人體細(xì)胞制成，用于藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)。為了推動(dòng)Systemic Bio的醫(yī)療業(yè)務(wù)，3D Systems投入了1500萬美元的種子資金。

事實(shí)上，自2020年起，3D Systems已經(jīng)通過資產(chǎn)剝離，將其戰(zhàn)略重心轉(zhuǎn)移到了工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域。公司不僅繼續(xù)進(jìn)行生物3D打印的研發(fā)，如實(shí)體器官支架的打印，還在努力與制藥公司建立合作，推動(dòng)3D打印在制藥市場的發(fā)展。這一系列舉措顯示出3D Systems在生物打印領(lǐng)域的雄心和創(chuàng)新能力。

3）Desktop Metal

Desktop Metal自2015年成立以來，專注于桌面金屬粘合劑噴射工藝的發(fā)展。在2020年12月10日，該公司通過SPAC合并成功上市，并募集到了5.75億美元資金，公司估值達(dá)到了25億美元，成為3D打印領(lǐng)域的獨(dú)角獸企業(yè)。上市之后，Desktop Metal展開了一系列關(guān)于材料和工藝的收購行動(dòng)，其中包括了對EnvisionTEC、ExOne等多家不同賽道的頭部3D打印企業(yè)的收購。這些收購幫助Desktop Metal構(gòu)建了一套全面的集成增材制造解決方案組合，涵蓋硬件、軟件、材料和服務(wù)，從而顯著提高了其市場占有率。在強(qiáng)大資本的支持下，Desktop Metal迅速成長為新一代的3D打印巨頭。通過對收購資源的整合，公司努力推動(dòng)3D打印進(jìn)入批量化和規(guī)�；�制造的新時(shí)代。與此同時(shí)，Desktop Metal于2021年3月成立了Desktop Health，這是一家專注于為個(gè)性化醫(yī)療提供3D打印解決方案的醫(yī)療保健公司，標(biāo)志著公司在3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步拓展。

總結(jié)與展望
物質(zhì)基復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用，結(jié)合3D打印技術(shù)的革新，不僅標(biāo)志著材料科學(xué)的重要進(jìn)步，也是對全球環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展理念的積極響應(yīng)。這類材料主要來源于木材、農(nóng)作物、農(nóng)林廢棄物、水生生物質(zhì)和微生物等，其優(yōu)勢在于生物降解性、可持續(xù)性和環(huán)保特性。結(jié)合3D打印技術(shù)，這些材料能被應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和定制化設(shè)計(jì)，拓寬了其在醫(yī)療、建筑、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。3D打印技術(shù)，包括FDM、SLS、SLA、DLP和Polyjet等，利用的原材料多樣化，從熱塑性材料到金屬、石膏、玻璃纖維、陶瓷粉末和光敏樹脂，滿足了從簡單構(gòu)件到復(fù)雜機(jī)械部件的打印需求。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D生物打印技術(shù)如噴墨法、擠出沉積法、光固化成型和激光輔助法等正展現(xiàn)獨(dú)特價(jià)值，用于打印支架材料、血管、瓣膜、骨骼等。木質(zhì)纖維素材料作為一種可再生資源，在3D打印技術(shù)的幫助下可以精確設(shè)計(jì)并快速制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料。這種結(jié)合不僅展現(xiàn)了生物質(zhì)基材料的可持續(xù)性和環(huán)保特性，也利用了3D打印在設(shè)計(jì)自由度和制造效率上的優(yōu)勢。水生或海生生物質(zhì)材料，在3D打印領(lǐng)域，尤其是3D生物打印技術(shù)中，發(fā)揮著重要作用。海藻酸鈉和瓊脂糖等材料在3D生物打印中的應(yīng)用，如基于海藻酸鈉的生物油墨，通過調(diào)節(jié)其分子量和固含量等，滿足不同3D打印技術(shù)的需求。海藻酸鈉水凝膠的剪切稀化效應(yīng)和生物降解可控性等優(yōu)點(diǎn)使其在3D生物打印中得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，生物3D打印技術(shù)作為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要分支，正在引領(lǐng)一場技術(shù)革命。根據(jù)SmarTech的報(bào)告，預(yù)計(jì)到2028年，生物3D打印市場規(guī)模將達(dá)到12億美元。盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，如打印移植器官的精確度、可靠性和人體相容性等，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，預(yù)計(jì)未來生物3D打印將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來更多突破。綜上所述，生物質(zhì)基復(fù)合材料和3D打印技術(shù)的結(jié)合，為眾多領(lǐng)域提供了新的發(fā)展機(jī)遇。在技術(shù)和市場兩方面，它們的融合不僅帶來了創(chuàng)新的解決方案，也展現(xiàn)了對環(huán)境的關(guān)注和對可持續(xù)發(fā)展的承諾。隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，生物質(zhì)基復(fù)合材料在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛和深入。木質(zhì)纖維素和海藻酸鈉等材料的研究與開發(fā)，特別是在改性和新溶劑的開發(fā)方面，將進(jìn)一步提高這些材料的3D打印適用性和效率。此外，生物質(zhì)基復(fù)合材料的生物降解性和環(huán)保特性也將推動(dòng)其在更多環(huán)保要求高的應(yīng)用領(lǐng)域中的使用，如可持續(xù)包裝、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和環(huán)境修復(fù)等。

在市場層面，隨著技術(shù)的成熟和應(yīng)用案例的增多，生物質(zhì)基復(fù)合材料在3D打印領(lǐng)域的商業(yè)價(jià)值將顯著提升。醫(yī)療、航空航天、建筑和消費(fèi)品等行業(yè)將是生物質(zhì)基復(fù)合材料3D打印技術(shù)的主要市場。特別是在個(gè)性化醫(yī)療和定制化產(chǎn)品制造方面，生物質(zhì)基復(fù)合材料結(jié)合3D打印技術(shù)的潛力巨大。

未來，隨著新材料的不斷發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，生物質(zhì)基復(fù)合材料的3D打印應(yīng)用將更加多元化和精細(xì)化。這不僅將推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展，也將為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)提供新的路徑�？深A(yù)見的是，生物質(zhì)基復(fù)合材料和3D打印技術(shù)的結(jié)合將在未來幾十年內(nèi)繼續(xù)作為一個(gè)重要的研究和發(fā)展領(lǐng)域，不斷為我們的生活帶來創(chuàng)新和改變。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉俊,孫璐姍,王錢錢等.3D打印生物質(zhì)基復(fù)合材料研究進(jìn)展及應(yīng)用前景[J].生物產(chǎn)業(yè)技術(shù),2017,(03):68-81.