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Engineering综述文章:可用于生物植入物开发的增材制造材料

2020年11月,南极熊注意到,著名学术杂志《Engineering》上刊登了一篇香港城市大学研究人员发表的综述文章,“Development of Bioimplants with 2D, 3D, and 4D Additive Manufacturing Materials(可用于生物植入物开发的2D/3D/4D增材制造材料)”。

共同第一作者:刘果博士,何云虎,刘朋超博士

通讯作者:吕坚教授

在过去的30年中,增材制造(AM)发展迅速,并在生物医学应用中显示出巨大的潜力。AM是一种面向材料的制造技术,因为材料固化机制,打印结构精度,后处理过程和功能应用均是基于打印材料的。但是,用于制造生物植入物的三维(3D)可打印材料仍然非常有限。在这项工作中,对用于生物植入物的2D/3D AM材料进行了调研。此外,在吕坚教授课题组先前开发的4D打印陶瓷前驱体及陶瓷材料的基础上,本文提出了软硬集成4D增材制造概念,并对其在人体系统中复杂而动态的生物结构上的潜在应用做了展望。随着多材料打印技术的发展,可以预期会有更多工作使用2D/3D/4D AM材料开发生物植入物和软硬集成生物结构。
生物植入物包括骨植入物,假肢,可穿戴生物传感器和药物输送系统,主要应用于医学或临床治疗。根据植入物中细胞成分数量的差异,生物植入物分为以下三类:biological implants, biologized implants, and biofunctional implants。

Biological implants以生物打印技术为代表,将活细胞包埋在水凝胶中,通过生物打印机制备成预制结构。

Biologized implants以惰性生物金属材料为代表,将活细胞种植在材料的表面,这些材料包括不锈钢(SS; 316L),钽,金,钴铬(Co-Cr)合金,钛(Ti)和镍钛合金等材料。

biofunctional implants以表面处理技术为代表,将经过表面处理的植入物植入体内,生物活性表面得以生成,从而有利于细胞附着和增殖。

2D增材制造技术通常指的是通过涂层或其他表面处理技术在对象表层添加材料,其在生物医学领域的广泛应用可以提高生物植入物的力学性能,抗腐蚀性能以及与人体的生物兼容性,避免免疫排斥反应等。镁钛合金具有优良的力学性能和生物可降解性能,是常用的植入物材料,通过离子束溅射,磁控溅射等方式在金属表面加镀薄膜,可以优化植入物的生物功能性和生物兼容性。在镁合金和镁钙合金基体上加入碳酸钙和羟基磷灰石涂层的研究表明可有效增强植入物的抗腐蚀性能。香港城市大学吕坚院士课题组的超强纳米双相镁合金为生物植入物的涂层制备提供了新的选择。此外,2D增材制造技术也广泛应用在在高分子材料植入物,组织修复工程和细胞治疗等领域。

3D打印技术,又称“增材制造”,是通过逐层定位堆积材料的方式实现三维复杂实体的构建,具备精准制造和个性化制造的优点。从材料和技术方面分别对3D打印生物植入物进行了总结:可用于3D打印植入物的材料包括高分子材料,陶瓷和金属材料。高分子材料以美国FDA通过的聚己内酯(PCL)、聚醚醚酮(PEEK)、聚乳酸(PLA)为代表,此外,还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锆、氧化铝,用作股骨头假体;生物活性陶瓷以磷酸钙基(羟基磷灰石,磷酸钙,生物玻璃)为代表,可以与主体骨组织形成化学键。与惰性陶瓷相比,活性陶瓷材料的力学强度明显不足,但是生物学反应占优。金属材料包括Ti基合金(代表:Ti-6Al-4V,Ti-6Al-7Nb,Ti-5Al-2.5Fe)、不锈钢材料(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,该文分别从融化沉积成型(FDM),直写技术(DIW),平板印刷(SLA)、选择性激光熔融(SLM)、电子束熔融(EBM)及生物打印技术方面进行了总结,如下表所示。

4D打印技术通常指的是经3D打印成型的物体在外界刺激,例如光,电,声, 热, 磁的刺激下实现构型和功能的变化。高分子,陶瓷,金属材料均可实现4D打印,4D材料的构型改变能力使其可以应用于体内动态环境。本文总结了各种4D材料的变形机制以及打印制备过程,包括水凝胶,形状记忆高分子,磁性高分子材料,金属材料等,阐述了不同材料在软驱动器,智能器件等方面的应用。

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