中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

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2018年 9月26日-28日 | 上海世博展览馆

医疗领域3D打印材料的发展有哪些新看点?

2017-12-22

打印材料作为3D打印技术的一大基石,就像生化反应过程中的“关键酶”,在技术发展过程中发挥着举足轻重的作用。材料的发展,在3D打印领域尤为突出。

3D打印技术以其突出的定制化特性和方便快捷,顺应了精准医疗时代对于个体化、精准化医疗的需求,从而得到了快速的发展。

“3D打印生命阶梯”这一概念是由康奈尔大学机械工程与计算机科学技术教授胡迪·利普森提出的,它生动地展现了3D打印技术在医疗领域的发展蓝图。

“3D打印生命阶梯”

阶梯的底层为无生命的医疗器械,包括医疗模型、诊疗器械、康复辅具、假肢等;中层是”简单的活性组织如骨骼与软骨”,即个性化的永久植入物,比如使用钛合金、生物陶瓷和高分子聚合物等材料通过3D打印制造出来并通过手术植入人体的骨骼、软骨、关节、牙齿等产品;再往上是静脉和皮肤;靠近阶梯顶层的是复杂且关键的器官,如心脏、肝脏和大脑。最后,生命阶梯的顶层将是完整的生命单位——也许有一天将会是具备完整功能的人造生命形式。

从这一概念中其实可以发现,3D打印技术的关键并不在于技术本身,而在于组成各种部件和器官的生物材料,包括医用高分子材料、无机材料、活细胞及其相关细胞因子等“生物墨水”。

目前,生物3D打印常见的材料有如下几种:

 

正因为生物材料在3D打印的发展中有着举足轻重的地位,因此其发展程度也决定了3D打印技术在在医疗领域应用的广度和深度。近年来科学界和产业界在生物材料的研究上投入了巨大的精力和资金,也取得了不少新的突破。

TPU材料与FDM熔融挤出技术

伦敦大学学院的Achala de Mel 博士带领的研究团队通过使用FDM熔融挤出技术将TPU这种具有独特可塑性和弹性质量的热塑性聚氨酯材料3D打印出了各种塑料管状结构,作为具有不同直径和厚度的冠状弹性细胞支架,用于培养身体内的细胞组织。

这并不是TPU材料第一次被用于制作组织培养支架,美国斯凯西储大学曾通过将TPU材料与PLA材料以及氧化石墨烯材料混合打印出具有优良机械性能的细胞培养支架。

高韧性和促进骨骼再生的3D打印陶瓷油墨

2016年9月,美国西北大学材料科学系的研发团队研发出了一种适合3D打印的液体油墨材料,该材料是由90%的羟基磷灰石和10%的乳酸-羟基乙酸混合而成,可以使3D打印出的支架在无需添加生长因子的情况下具有同样良好的骨骼再生促进能力以及更高的韧性。与普通羟基磷灰石材料支架的不同之处,这种油墨打印的支架在受到挤压时可以迅速恢复到原来的形状。支架的孔隙率为50%,支持人体细胞生长和增殖。

研究团队进行了体外实验和动物实验来验证这种材料打印出的支架的骨修复能力。为期4周的体外实验证明了在不添加生长因子的情况下该3D打印支架能够诱导人体干细胞进行分化,小鼠和猴子的支架植入物实验也证明支架周围组织与支架进行了结合而没有出现排异反应。

3D打印细菌以制造功能性复杂材料

苏黎世瑞士联邦理工学院(ETH Zurich)的研究人员开发出了一种生物相容墨水,通过将自然多样的细菌代谢与增材制造的形状设计自由结合,创造出细菌衍生的功能性材料。通过选择不同的细菌种类,可以影响Flink墨水的物理特性,从而打印出不同功能的材料,如能够降解污染物的材料、细菌纤维素“活性材料”,甚至用于制造人造皮肤来治疗烧伤患者。

含有细菌的3D打印墨水由生物相容性水凝胶(含有透明质酸、长链糖分子和热解法二氧化硅)组成,从而成为可3D打印的固态形式。而含有糖的混合培养基可以保持所选的细菌混合物的活性。这种生物墨水使得生产高纯度的生物医学纤维素或生产能够分解有毒物质的生物材料成为可能。

打印材料作为3D打印技术的一大基石,发展

尤为突出,随着生物3D打印材料的不断革新,全球医疗3D打印市场规模也将逐年攀升。

来源:火石创造