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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划生物医用材料北京实验室,beijing,laboratory华北科技学院学生姓名：学号：专业班级：材料科学前沿结课论文3D打印技术在生物医用材料领域的应用XXX摘要：生物医用材料是指用于医疗上能够植入生物体或与生物组织相接合的材料,可用于诊断、治疗,以及替换生物机体中的组织、器官或增进其功能。生物医用材料在20世纪60年代兴起，80年代获得高速发展，在临床实践中具有广泛的应用。3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印
2、的方式来构造物体的技术。3D打印技术能够根据不同患者需要,快速精确制备适合不同患者的个性化生物医用高分子材料,并能同时对材料的微观结构进行精确控制.因此,这种新兴的医用高分子材料制备技术在未来生物医学应用(尤其是组织工程应用)中具有独特的优势.本文介绍了3D打印技术在生物医用材料领域的应用研究进展情况，主要集中在生物医用高分子材料和生物医用无机非金属材料2大领域。1.前言3D打印是一项20世纪80年代后期逐渐兴起的新型数字化成型技术V-3其基本加工原理是:根据计算机辅助设计(CAD)模型或断层扫描(CT)形成的数据，在电脑程序控制下，基于离散、堆积成型的原理，通过“分层打印、逐层叠加”的方式，
3、对材料进行精确堆积以快速加工制造任意形状的3D复杂物体(见图1)3D打印技术具有能够按照设计的模型构建特定空间结构的能力，并能在制备材料时对其微观结构进行精确控制。这种具有独特优势的新兴技术，正在越来越广泛地影响着各行各业的发展。近年来，3D打印技术在生物医用材料应用领域的研发已得到越来越多的关注，并取得了诸多成就。研究人员可根据不同患者的需求，采用3D打的个性化生物材料。在理论创新方面，提出了“生物印刷”的概念，即将3D打印技术和生物工程技术结合起来，将材料科学、生命科学与印刷技术相融合，为研究组织工程学在3D尺度上与人体器官和组织相似的三维实体相匹配进行精确控制提供了新的思路和方法。导电聚
4、合物具有独特的电活性和导电性特点，不仅可用作药物、基因载体;在电刺激条件下，尚可调节细胞的豁附、迁移、增殖及分化等其他功能，在“生物印刷”技术中具有重要的研究意义。危岩及其课题组着重于导电聚合物材料的研发，取得了丰富的成果，并归纳了“生物印刷电子材料”技术的核心，即采用3D打印技术将具有电活性的材料制备成生物医用支架，继而在此支架上实现可以调控和优化的可控细胞和组织生长，最终获得有生物功能的新产品或新技术，以应用医学检测、诊断和治疗。这些成果对3D打印技术在医疗行业的发展产生了巨大的促进作用。打印技术在生物医用高分子材料领域的应用在生物医用高分子材料研究领域，国内外已开始应用3D打印技术进行相
5、关的制备与加工工作，包括器官模型、个性化组织工程支架材料、细胞及组织的制备等方面，并已取得不同程度的进展。器官模型的制备为保证医疗手术的安全实施，医生会根据病变器官模型进行分析策划以确定重要的手术方案。而人体器官往往具有复杂的空间结构，传统加工方法很难快速甚至无法制备与之相匹配的模型。利用3D打印技术对材料进行精确控制的优点可快速制备出高质量的器官模型。其工艺过程为:首先获取患者病变器官二维CT图像，进而构建其三维实体模型数据文件，然后利用3D打印技术快速制备出高度仿真的器官模型。模型的高效制备为手术分析策划提供了重要参考，也为学术研究提供了极其便利的条件。Matthias采用3D打印技术快速
6、制备出具有内部小孔的模型件，对其内部结构进行了精确控制，小孔孔径尺寸可低至450um，壁厚低至330um，其形状如图2所示。经测试分析可知，该件的机械强度达到22MPa以上，具有良好的力学性能，可满足器官模型的一般使用要求。徐华等将麻醉的Beagle犬在CT机上平扫头颅，获取数据后进行三维重建以获得STL格式(最多快速原型系统所应用的标准文件类型)的3D头颅数据，然后将此数据输人3D打印机，以树脂粉末为原料，快速打印出下领骨的3D模型。藉此模型，他们利用聚经基乙酸/聚乳酸制备出了下领支骸突形态3D结构模型，所制备3D模型与实物复合率高于90%以上。同时还进行了模型与犬骨髓基质细胞的体外复合培养
7、实验研究，结果如图3所示。由图3可看出，骨髓基质细胞豁附于器官模型的纤维表面，依纤维方向生长并充分铺展;且分泌出大量细胞外基质，通过他们使得骨髓基质细胞彼此相连。研究结果表明，所制备的3D器官模型具有高度的仿真性和良好的生物相容性，适于学术研究及动物模型的软组织或硬组织修复等工作。北京印刷学院生物印刷实验室胡垫研究组与广州军区总医院骨科实验室张余研究组联合开展了人体病变3D打印模型研究，通过对患有严重脊柱侧弯畸形的病人进行CT扫描，将患者病变部位数据导人三维重建软件，生成STL格式文件后再输人3D打印机，利用激光烧结技术生成模型，如图4所示。高度仿真的模型为医疗策划分析及制定相应的手术方案提供
8、了极其重要的参考信息和依据。个性化组织工程支架材料的制备水凝胶具有良好的生物相容性，是第一种应用于人体的高分子生物材料，且可方便地制作成不同形状的3D结构，因此被广泛用作组织工程领域生物支架的基本结构材料。随着3D打印技术应用于生物医用材料的兴起，科研工作者对水凝胶的研究也取得了诸多进展。如Gauvin9以甲基丙烯酸酯修饰的明胶为原料，制备了可作为个性化组织工程支架材料使用的水凝胶，并进行了体外细胞培养实验研究。图5为其微结构免疫荧光图片，其中a,b为细胞培养初始阶段的荧光图片，c,d为培养4天后。由图可看出，内皮细胞的特定标记CD31(a)和血管性假血友病特征(b)显示出培养阶段仍保持内皮细
9、胞的形状;并且，Ki67标签(c)显示出人脐静脉内皮细胞(HUVEC)附着在支架标签上(d)，说明在培养4天后已经出现了细胞增殖现象。所制备的水凝胶材料具有内部贯通的孔结构，可促进内皮细胞HUVEC的均一分布和分化，并能维持细胞的表面形态和生物功能。并且，支架材料的微观结构可控，其力学性能也可通过3D打印时改变原料结构和高分子浓度来调节。生物医用材料的种类及应用摘要：生物医用材料是近年来发展迅速的新型高科技材料，如人工骨、高分子材料、无机非金属材料、复合材料等，本文根据其物质属性对常用的医用生物材料进行了分类及各部分最新的应用研究进展，根据分类对常用的医用生物材料在骨科、整形外科、牙科、口腔外
10、科、心血管外科、眼外科、耳鼻喉科及普通外科方面的应用做了详细阐述。生物医用材料的应用对挽救生命和提高人民健康水平做出了重大贡献，随着现代医学飞速发展不断获得关注，发展前景广阔。关键词：生物医用材料人工骨生物陶瓷硅橡胶复合材料1生物医用材料生物医用材料的定义生物医用材料是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料。它是研究人工器官和医疗器械的基础，己成为材料学科的重要分支，尤其是随着生物技术的蓬勃发展和重大突破，生物材料己成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。当代生物材料已处于实现重大突破的边缘，不远的将来，科学家有可能借助于生物材料设计和制造整个人体器
11、官，生物医用材料和制品产业将发展成为本世纪世界经济的一个支柱产业。先由生物分子构成生物材料，再由生物材料构成生物部件。生物医用材料的种类生物材料品种很多，有不同的分类方法。通常是按材料的物质属性分类，据物质属性，生物医用材料大致可以分为以下几种：生物医用金属材料生物医用金属材料是作为生物医学材料的金属或合金，具有很高的机械强度和抗疲劳特性，是临床应用最广泛的承力植入材料，主要有钴合金、钛合金和不锈钢的人工关节和人工骨。生物医用高分子材料生物医用高分子材料分为天然医用高分子材料和合成医用高分子材料，近年来合成高分子医用材料迅速发展，硕果累累。通过分子设计，可以获得很多具有良好物理机械性和生物相容
12、性的生物材料。其中软性材料常用来作为人体软组织如血管、食道和指关节等的代用品，如医用硅橡胶；合成的硬材料可以用来作人工硬脑膜、笼架球形的人工心脏瓣膜的球形阀等；液态的合成材料如室温硫化硅橡胶可以用来作注入式组织修补材料。生物医用无机非金属材料或生物陶瓷生物陶瓷这类医用材料化学性质稳定，具有良好的生物相容性。生物陶瓷主要包括惰性生物陶瓷和生物活性陶瓷两类。惰性生物陶瓷具有较高的强度，耐磨性能良好，分子中的键力较强。生物活性陶瓷，这类材料具有能在生理环境中逐步降解和吸收，或与生物机体形成稳定的化学键结合的特性，因而具有极为广阔的发展前景。根据使用情况，生物陶瓷可分为与生物体相关的植入陶瓷和与生物化
13、学相关的生物工艺学陶瓷。前者植入体内以恢复和增强生物体的机能，是直接与生物体接触使用的生物陶瓷。后者用于固定酶、分离细菌和病毒以及作为生物化学反应的催化剂，是使用时不直接与生物体接触的生物陶瓷。生物医用复合材料生物医用复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料，主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。其中钴合金和聚乙烯组织的假体常用作关节材料；碳-钛合成材料是临床应用良好的人工股骨头；高分子材料与生物高分子结合可以作为生物传感器。(5)生物医用衍生材料生物医用衍生材料是经特殊处理的生物组织所形成的一类材料，包括维持组织原有构型，仅消除其免疫排斥反应的较轻微
14、处理过的组织，如经戊二醛处理定型的猪心瓣膜、牛心包、人颈动脉、脐动脉、冻干的骨片等，以及经拆散原有构型处理的再生胶原、壳聚糖、透明质酸等的粉体、纤维膜、海绵体、凝胶等。其结构与人体组织极为相似，生物相容性好，但是目前尚处于起步阶段。其制备的困难和临床运用仍是今后研究的主要方向。2生物医用材料的应用生物医学材料应用广泛，仅高分子材料，全世界在医学上应用的就有90多个品种、1800余种制品，西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10%20%的速度增长。随着现代科学技术的发展尤其是生物技术的重大突破，生物材料的应用将更加广泛。人工骨随着生物医学和材料的发展，各种人工制备的生物材料植入骨内修复骨缺损的
15、临床应用效果很好。这些人工合成或提取的植入材料生物相容性好，对骨形成具有明显的诱导作用，被泛称为人工骨(ArtificialBone)。在生物性能方面，人工骨无毒性，不致癌，不致畸，不引起中毒、溶血凝血、发热和过敏等现象；与人体组织相容性好，不引起人体细胞的突变和组织细胞的反应；化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用；具有与天然组织相适应的物理机械特性。目前，国内、外研制的人工骨种类较多，按材料结构与性能大致可分为两类，即无机材料和有机材料；按其来源又可分为人工合成的高分子材料和天然生物材料两大类。目前无机材料人工骨研究较多的主要包括磷酸钙类材料1，如羟基磷灰石和磷酸三钙及生物玻璃等。人工骨修复
16、材料的研究成果显示，纳米级骨修复材料具有传统材料无可比拟的生物学性能2，已在组织工程和生物材料研究中显示出广阔的应用前景，将不同生物材料复合加工，研制出类似人骨的材料，将是今后骨修复材料的研究重点3。当前用于骨科临床的纳米产品不多，其性能、微观结构和生物学效应尚有待系统研究。相信随着纳米技术4、组织工程技术和生物技术的发展与综合，必将研制出新一代性能优异的纳米骨材料,为治愈骨缺损和骨折提供更好的选择。高分子材料医用硅橡胶(SiliconeRubber)是美容外科中应用较广的生物材料(组织代用品)。它是高分子有机化合物聚硅酮的一种橡胶样固体形态，又称二甲基硅氧烷。生物性能：硅橡胶具有优良的生物性能：无毒、生理惰
