无机非金属,金属,高分子三大类3D打印医用材料介绍

材料科学与工程技术 2018-12-05 16:33:29

3D 打印技术是 20 世纪 80 年代后期开始逐渐兴起的一项新兴制造技术,它是指在计算机控制下,根据物体的计算机辅助设计( CAD) 模型或计算机断层扫描( CT) 等数据,通过材料的精确3D 堆积, 快速制造任意复杂形状3D 物体的新型数字化成型技术。 3D 打印技术的基本制造过程是按照“分层制造、逐层叠加”的原理,通过计算机控制的 3D 打印系统进行逐层打印,叠加后最终获得三维产品。

图1 3D打成型模型

3D 打印技术的应用领域也在随着技术的进步而不断扩展,包括生活用品、机械设备、生物医用材料,甚至是活体器官、在生物医学领域,目前 3D 打印技术在国际上已开始被应用于器官模型的制造与手术分析策划、个性化组织工程支架材料和假体植入物的制造、以及细胞或组织打印等方面。利用 3D 打印技术则可以根据不同患者的CT、磁共振成像 (MRI) 等成像数据,快速制造个性化的组织工程支架材料,不仅能实现材料与患者病变部位的完美匹配,而且更有利于促进细胞的生长与分化,获得理想的组织修复效果。


对于生物医用材料领域,打印材料的局限性严重阻碍了3D打印技术的发展。生物医用材料的3D打印尤为困难,需要考虑材料的强度、安全性、生物相容性、组织工程材料的可降解性等,目前可用于3D打印的生物医用材料主要有金属、陶瓷、聚合物、生物墨水等,其特点是分布范围较广,但是种类极少。本综述着重总结了近年来利用金属、陶瓷、聚合物等材料,通过 3D 打印技术制备生物医用材料的研究进展。



医用无机非金属材料



无机非金属生物材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃、氧化物及磷酸钙陶瓷和医用碳素材料。



生物陶瓷



生物陶瓷具有高硬度、高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀等优异性能,在医学骨替代品、植入物,齿科和矫形假体领域有着广泛的应用。但生物陶瓷韧性不高,硬而脆的特点使其加工成形困难,采用3D打印技术制备生物陶瓷,近年来取得长足的进步。


图2 陶瓷3D打印植入物 

图片来源Othworld

生物陶瓷由于其对人体内的化学物质的抵抗力而成为医疗应用的首选材料。而且与金属和聚乙烯相比,陶瓷材料已经被证明具有极好的耐磨性。生物陶瓷的化学稳定性意味着它们在插入体内时不会引发任何类型的化学反应,这是由于该材料具有强大的化学键和高纯度成分。

图3 陶瓷3D打印植入物

图片来源Othworld

当然,生物陶瓷的化学稳定性并不意味着所有的陶瓷都是不可降解的。3D打印陶瓷植入物包括氮化硅、氧化铝、羟基磷灰石等种类,其中羟基磷灰石等陶瓷材料具有良好的生物相容性,在植入到体内之后将逐渐被人体降解吸收,生物工程和再生医学领域的科学家们利用此类陶瓷材料的特点研发出用于修复骨骼缺损的陶瓷生物支架。

图4 可降解陶瓷3D打印支架 

图片来源Othworld



生物玻璃



生物玻璃是内部分子呈无规排列状态的硅酸盐的聚集体,主要含有钠、钙、磷等几种金属离子,在一定配比和化学反应条件下,会生成含有羟基磷酸钙的复合物,具有很高的仿生性,是生物骨组织的主要无机成分。由于生物玻璃材料具有降解性和生物活性,能够诱导骨组织的再生,因此在骨组织工程的研究领域被作为组织工程支架材料广泛应用,在无机非金属材料领域具有非常广阔的应用前景。



医用金属材料



医用金属材料也被称为外科植入金属材料,主要用于诊断、治疗,以及替换人体中的组织或增进其功能。近20年来,虽然金属医用材料相对于高分子材料、复合材料以及杂化和衍生材料等生物医用材料的发展缓慢,但其具有高的强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其它几类医用材料不可替代的优良性能,是临床应用中最广泛的承力植入材料。尤其随着金属3D打印技术的发展,金属医用材料得到了更广泛的应用,最重要的应用有:骨折内固定板、螺钉、人工关节和牙根种植体等。


临床应用的医用金属材料主要有不锈钢、钴合金、钛合金、形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。


1、不锈钢


医用不锈钢(Stainless Steel as Biomedical Material)为铁基耐蚀合金,是最早开发的生物医用合金之一,其特点是易加工、价格低廉,耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工提高,避免疲劳断裂。不锈钢按显微组织可分为:奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢等,除常规医疗器械外,还可用于制作人工关节、骨折内固定器、牙齿矫形、人工心脏瓣膜等器件。


图5 医用不锈钢钳


医用不锈钢的缺点是其长期植入的稳定性差,加之其密度和弹性模量与人体硬组织相距较大,导致力学相容性差。由于腐蚀会造成金属离子或其它化合物进人周围的组织或整个机体,因而可在机体内引起某些不良组织学反应,如出现水肿、感染、组织坏死等,并且不锈钢中镍离子析出诱发的严重病变。


2、钴合金


医用钴合金(Co-based Alloy as Biomedical Material)也是医疗中常用的金属医用材料。医用钴合金的耐腐蚀性比不锈钢高40倍,主要被用以制作人工髋关节、膝关节、关节扣钉、接骨板、骨钉和骨针,目前应用最多的是铸造钴铬铝合金。


图6 钴基合金人工关节 

图片来源 网络

钴合金在人体内多保持钝化状态,很少见腐蚀现象,与不锈钢相比,其钝化膜更稳定,耐蚀性更好。从耐磨性看,它也是所有医用金属材料中最好的,一般认为植入人体后没有明显的组织学反应。但是由于钴合金价格较贵,并且钴合金制作的人工髋关节由于金属磨损腐蚀造成Co、Ni等离子溶出,存在着严重致敏性等生物学问题,在体内容易引起细胞和组织坏死,从而导致患者疼痛以及关节的松动、下沉,应用受到一定的限制。近年来,通过表面改性技术来改善钴合金的表面特性,有效提高了其临床效果。


3、钛合金


医用钛合金(Ti-based- Alloy as Biomedical Material)是目前已知的生物亲和性最好的金属之一,是最有发展前景的医用材料之一。目前,钛和钛合金主要应用于整形外科,尤其是四肢骨和颅骨整复,被用以制作各种骨折内固定器械、人工关节、头盖骨和硬膜、人工心脏瓣膜、齿、牙床、托环和牙冠。其中,医用应用最多的钛合金是TC4(Ti-6A1-4V)。


钛及钛合金的密度在4.5g/cm3左右,几乎仅为不锈钢和钴合金的一半,密度接近人体硬组织,且其生物相容性、耐腐蚀性和抗疲劳性能都优于不锈钢和钴合金,是目前最佳的金属医用材料。钛及钛合金缺点是硬度较低,耐磨性差。若磨损发生,首先导致氧化膜破坏,随后磨损的颗粒腐蚀产物进人体组织,尤其是Ti-6A1-4V合金中含有毒性的钒(V)可导致植入物的失效。为了改善钛及钛合金的耐磨性能,可对钛及钛合金制品表面进行高温离子氨化或离子注入技术处理,强化其表面耐磨性。


图7 医用钛及钛合金

图片来源 网络

4、形状记忆合金


医用形状记忆合金(Shape Memory Alloy as Biomedical Material)的研究始于20世纪70年代,并很快得到了广泛应用。临床上应用最广泛的形状记忆合金主要有镍钛形状记忆合金。医用镍钛形状记忆合金的形状记忆恢复温度为36±2℃,符合人体温度在临床上表现出与钛合金相当的生物相容性。但由于镍钛记忆合金中含有大量的镍元素,如果表面处理不当,则其中的镍离子可能向周围组织扩散渗透,引起细胞和组织坏死。医用形状记忆合金主要用于整形外科和口腔科,镍钛记忆合金应用最好的例子是自膨胀支架,特别是心血管支架。


图8 医用钛及钛合金

图片来源 网络

5、贵金属和纯金属钽、铌、锆


医用贵金属是指用作生物医用材料的金、银、铂及其合金的总称。贵金属的生物相容性较好,抗氧化、抗腐蚀性强,具备独特的物理与化学稳定性,优异的加工特性,对人体组织无毒副作用。被用作整牙修复、颅骨修复、植入电极电子装置、神经修复装置、耳涡神经刺激装置、横隔膜神经刺激装置、视觉神经装置和心脏起搏器电极等。


钽具有很好的化学稳定性和抗生理腐蚀性,钽的氧化物基本上不被吸收和不呈现毒性反应,钽可与其它金属结合使用而不破坏其表面的氧化膜。在临床上,钽也表现出良好的生物相容性。钽、铌、锆与钛都具有极相似的组织结构和化学性能,在生物医学上也得到一定应用,被用作接骨板、种植牙根、义齿、心血管支架及人工心脏等。但总的来说,医用贵金属和钽、铌、锆等金属因其价格较贵,广泛应用受到限制。


图9 贵金属烤瓷牙

图片来源 网络



生物医用高分子材料



近年,生物医用高分子材料可谓异军突起,成为发展最快的生物医学材料。目前生物医用高分子材料研究又进入了一个新的阶段,寻找具有主动诱导、刺激人体损伤组织再生修复的一类生物活性材料成为热点。3D打印高分子耗材需要经过特殊处理,还需要加入粘合剂或者光固化剂,且对材料的固化速度、固化收缩率等有很高的要求。不同的打印技术对材料的要求都不相同,但是都需要材料的成型过程快速精确,材料能否快速精确的成型直接关系到打印的成败。由于生物医用材料直接与生物系统作用,除了各种理化性质要求外,生物医学材料必须具有良好的生物相容性,生物医学材料的开发比其他功能材料的开发具有更严格的审核程序,所以对用于生物医学领域的3D打印高分子材料的研究才刚刚起步。


1. 高分子原材料的种类


目前常用的3D打印高分子材料有聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯和ABS等。在光固化立体印刷中的齐聚物的种类繁多,其中应用较多的主要包括如聚氨酯丙烯酸树脂、环氧丙烯酸树脂、聚丙烯酸树脂以及氨基丙烯酸树脂。


2. 常见应用工艺


目前应用较多的3D打印高分子材料技术主要包括光固化立体印刷(SLA)、熔融沉积成型( FDM)、选择性激光烧结(SLS)等。


  • 光固化立体印刷


光固化3D打印(SLA)工作原理与喷墨打印类似,在数字信号的控制下,喷嘴工作腔内的液体光敏树脂在瞬间形成液滴,在压力作用下喷嘴喷出到指定的位置,然后通过紫外光对光敏树脂固化,固化后逐层堆积,得到成形零件。


光固化3D打印材料由光固化实体材料与支撑材料组成,其中支撑材料根据其固化方式不同又可分为相变蜡支撑材料和光固化支撑材料。光固化支撑材料通常俗称光敏树脂,主要由齐聚物、反应性稀释剂(活性单体)、光引发剂以及其它助剂组成。国外由于起步较早,并且3D打印机能够为光敏树脂的研究提供实验器材的支持,因而国外在3D打印光敏树脂做的较为成熟。


图10 光固化3D打印原理图


光固化立体印刷制备生物可降解支架材料的高分子原料包括光敏分子修饰的聚富马酸二羟丙酯(PPF),聚(D,L-丙交酯)(PLA)、聚( -己内酯)(PCL)、聚碳酸酯、以及蛋白质多糖等天然高分子。 为了降低液态树脂原料的黏度,还需要加入小分子的溶剂或稀释剂,常用的如可参与光聚合反应的富马酸二乙酯(DEF)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP),以及不参与聚合反应的乳酸乙酯,该技术获得的3D成型材料具有可调控的孔尺寸孔隙率贯通性和孔分布。


  • 熔融沉积成型


熔融沉积成型( FDM) 是采用热熔喷头,使得熔融状态的材料按计算机控制的路径挤出沉积,并凝固成型,经过逐层沉积凝固,最后除去支撑材料,得到所需的三维产品(图2 )。FDM技所使用的原料通常为热缩性高分子,包括ABS、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等.该技特点是成型产品精度高表面质量好成型机结构简单无环境污染等,但是其缺点是操作温度较高。


近年来,利用FDM技术制备生物医用高分子材料也受到越来越多的重视,尤其是以脂肪族聚酯为原料制备生物可降解支架材料,取得了相当多的进展。材料的性质受到压力梯度熔体流速温度梯度等影响,聚酯与无机粒子的复合物也能用于熔融沉积成型制备3D支架材料。

图11 熔融沉积成型所需产品


  • 选择性激光烧结


选择性激光烧结(SLS)是采用激光束按照计算机指定路径扫描,使工作台上的粉末原料熔融粘结固化。当一层扫描完毕,移动工作台,使固化层表面铺上新的粉末原料,经过逐层扫描粘结,获得三维材料。与SLA技术通过紫外光逐层引发液态树脂原料发生聚合或交联反应不同,SLS技是通过激光产生高温使粉末原料表面熔融相互粘结来形成三维材料。其优点是加工速度快,无需使用支撑材料,但缺点是成型产品表面较糙,需后处理,加工过程中会产生粉尘和有毒气体,而且持续高温可能造成高分子材料的降解,及生物活性分子的变形或细胞的凋亡,该技术不能用于制备水凝胶支架。以生物可降解高分子为原料,利用SLS技术,也是制备外部形态和内部结构可控3D医用高分子材料的有效途径。


图12 选择性激光烧结示意图


生物医用高分子材料在医疗器械领域中得到了非常广泛的应用,主要体现在人工器官、医用塑料和医用高分子材料3个领域。


1. 人工器官


人工器官指的是能植入人体或能与生物组织或生物流体相接触的材料;或者说是具有天然器官组织或部件功能的材料,如人工心瓣膜、人工血管、人工肾、人工关节、人工骨、人工肌腱等,通常被认为是植入性医疗器械。人工器官主要分为机械性人工器官、半机械性半生物性人工器官、生物性人工器官3种。 



2.医用塑料


医用塑料,主要用于输血输液用器具、注射器、心导管、中心静脉插管、腹膜透析管、膀胱造瘘管、医用粘合剂以及各种医用导管、医用膜、创伤包扎材料和各种手术、护理用品等。注塑产品是医用塑料制品当中产量最大的品种。常用医用塑料包括聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚碳酸酯(PC)、聚酯(PET)等。


未来医用塑料的发展趋势是开发可耐多种消毒方式的医用塑料,改善现有医用塑料的血液相容性和组织相容性,开发新型的治疗、诊断、预防、保健用塑料制品等。


3.药用高分子材料


药用高分子材料在现代药物制剂研发及生产中扮演了重要的角色,在改善药品质量和研发新型药物传输系统中发挥了重要作用。药用高分子材料的应用主要包括2个方面:用于药品剂型的改善以及缓释和靶向作用,此外还可以合成新的药物。

更多精彩文章

1.材料领域常用十大绘图工具!

2.工业结晶技术发展历史、现状、技术详解

3.各种焊接技术知识汇总

4.最全喷雾干燥塔的知识

5.反应釜的安全技术措施

6.材料化学成分结构的测试

7.【工程技术】最全液压阀门动画,结构、工作原理

8.非金属材料的性能指标术语

9.为什么汽车烧汽油、卡车烧柴油、飞机烧煤油、船舶烧重油?

Copyright © 江苏回收废材价格采购组@2017