医学三维打印材料的应用分类

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1、医学三维打印材料的应用分类　　三维打印（three-dimensionalprinting,3DP）,又名快速成型、实体自由成型、增量制造等，其核心原理是借助电脑数据，通过一层一层添加材料来构建三维物体。正如印刷术的出现推动了文明和社会进步，自1986年三维打印技术问世以来，因精密复制、一体成型、节约材料等诸多优点，三维打印渗入了各行各业并引领创新。可以说，只要能找到合适的材料，三维打印可以实现任何设计、仿真所有物品，在创新制造上拥有不可比拟的优势。　　因能精确清晰地展现人体结构，三维打印在医学领域有广阔的应用前景。主要应用分三方面：一是模型制造，用以医学教学、手术规划或练习；二是可移植假

2、体制造，用于人体结构如骨骼、瓣膜的替换，三是组织工程，是指将生物材料、生物化学物质和细胞共同组装以制造组织或器官，也称为生物三维打印（three-dimensionalbioprinting）[1].因人体结构有特殊的质地，医学三维打印领域对仿真材料的外观、机械性能、生物相容性等方面有各式各样的特殊要求。可以说，材料的发展决定了医学三维打印的未来。　　1医学三维打印材料的应用分类　　　　虽然完美展现精细结构对任何三维打印技术和材料来说都不在话下，但实际操作过程中，成品的不同用途往往决定了对材料选取的特殊要求，具体如表1所示。医学教育用的示教模型只需有高仿真的外观，但对机械性能和生物相容性等

3、并没有要求。　　相比于此，手术操作练习模型则要求材料的质地与相应的人体结构类似。而对于假体移植和组织工程而言，机械性能、生物相容性才是选取材料需考虑的首要因素。　　不同材料需由不同的打印技术来实现，三维打印的常用技术、简称和原理可参见表2.下面将分别针对模型材料和生物相容材料进行介绍。　　1.1模型材料模型材料用于医学教学、手术规划或手术练习的模型制作，以下分成硬质和软质材料进行介绍（模型材料对应的打印技术、优缺点和应用实例的总结参见表3）.　　1.1.1硬质材料：硬质三维打印材料种类多、成本低、普及广，是医学领域应用最广泛的材料，成品主要用于三方面：一是示教模型，用于医学教育、术前讨论、

4、医患沟通等；二是手术导板，在整形外科、口腔科使用较多；三是手术操作练习模型，但仅限于模仿原本就坚硬的人体结构，如骨骼、牙齿、气管，医生可在模型上切割、钻孔等，大大提高手术熟练度。　　硬质材料主要有如下几类：1）光敏树脂。光敏树脂多呈液态，最早使用的有聚丙烯酸树脂和环氧树脂，包括它们在内的大多树脂成品透明、坚硬且易脆，可由SL或PolyJet打印[2].坚硬的树脂成品在制作示教模型、手术导板和骨骼、牙齿等人体结构的手术练习模型等方面几乎没有限制。往树脂原料里添加石膏粉、陶瓷颗粒等，还能使成品更加坚硬牢固[2].树脂的透明特性使之可以制作内部结构可视化的理想教学模型，例如内部静脉分支清晰可1[

5、3],或是显示内部肿瘤的透明器官模型等[4]　　.2）工程塑料。用于三维打印的工程塑料有聚碳酸酯（polycarbonate,PC材料）、聚酰胺（尼龙类材料）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（acrylonitrilebuta-dienestyrene,ABS）等。工程塑料强度高、硬度高，目前在医学领域的应用多限于示教模型和手术导板的制作[5].不过随着材料的发展，也有工程塑料成品能满足手术操作的真实性，例如聚酰胺颗粒和玻璃微球的混合粉末制作的骨骼模型的外观和质感非常真实，可由SLS实现[6]　　.3）其他。金属、石膏、合成聚合物也可用于制作坚硬物品，可以粉末形式由SLS技术打印[7].金属制品坚

6、固、制作精度高，但毕竟颜色局限、成本高、搬运不便，较少用于医学模型制作。石膏的价格低廉，可由多种技术打印。　　值得一提的是，3DP可通过不同颜色的黏合剂来给石膏成品赋予不同的颜色，是难得的能打印全彩色样件的三维打印工艺[5,7].　　1.1.2软质材料：软质材料主要用于模仿较软的人体结构，可供选择的种类相对少。真实质感的手术操作练习模型不仅能给医生很好的形态展现和空间体验，还能模拟剪切缝合的真实质感，对缩短手术时间、降低并发症等都有帮助。不过大多材料不具备表面摩擦力、延展性等复杂性能的仿真度，也无法在质感上模仿脂肪等软组织，未来材料的进步直接决定了医学三维打印的发展。　　软质医学模型材料多

7、为树脂，例如橡胶类树脂能制作剪切质感令人满意的动脉及动脉瘤[8],氨基甲酸酯橡胶可以制造手术彩排用的心脏[9]等，这些树脂均为液态光敏树脂，由SL或PolyJet技术打印。　　有机硅也可用于制作心脏等练习模型，但相比于直接三维打印技术，有机硅在间接三维打印中应用更加广泛，即利用三维打印技术制作出个性化的模具后，再用有机硅浇铸成型[10].　　1.2生物相容材料生物相容材料，是指植入人体后既不会迅速遭到破坏而影响其发挥作用