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。
本文提出了软硬集成4D增材制造材料的概念，人体系统中柔软和坚硬的生物结构融合并一同发挥功能，从而实现了类似太极阴阳刚柔并济的平衡。研究人员打印出具有不同力学性能的构件，可匹配适用于多种生物植入物，例如牙齿，骨板，软骨，韧带等。这种方法为制备复杂的，具有梯度力学性能的生物植入物提供了新的思路。

目前通过混合陶瓷前体／陶瓷材料实现的软硬集成4D 增材制造概念，有望扩展到其他二元或多组元系统。在多材料打印等技术的辅助下，更多具有功能梯度界面的软硬集成结构产品值得期待。随着2D／3D／4D增材制造材料的发展和集成，将会有更多有创新性的生物植入物开发出来，以适应人体系统中复杂而动态的生物环境。

在未来的研究中，多材料打印的技术将不仅适用于打印主体材料，还适用于打印支撑材料及介质材料。随着不同模量材料的墨水系统的开发，仿生杂化材料系统将会在突破强度韧性不可兼得的普遍矛盾上取得广泛的结构应用。多维度增材制造，增材／减材制造技术的集成，以及预应力工程的应用，将会为增材制造材料和技术的学术研究和工业应用提供广阔的发展机会。

吕坚教授简介

吕坚教授现任香港城市大学（研究及科技）副校长及研究生院院长，机械工程学院讲座教授，先进结构材料研究中心主任，香港工程科学院院士，法国国家技术科学院院士。2006年及2017年曾两次获得由法国总统亲自任命的“法国政府颁授法国国家荣誉骑士勋章”及“法国国家荣誉军团骑士勋章”，2018年获得“中国工程界最高奖”第十二届光华工程科技奖。吕坚教授的研究方向涉及先进纳米结构材料的制备和力学性能，实验力学，材料表面工程和仿真模拟，生物与仿生材料力学，航空航天材料与结构预应力工程，3D打印先进材料与产品集成设计等。