1.1.1  3D打印技术在生物医学工程上的应用

3D打印技术，即添加制造（Additive manufacturing）已经被广泛作为有效的工具使用在涉及骨骼，牙齿和器官支架的生物组织工程中。通常情况下，在往患者身体中植入外部支架时，人们的顾虑主要来自于两个方面，第一，被移植组织能否被身体所吸收接受，即生物再次吸收的过程（bioresorption）；第二，材料是否将被身体所排异，即生物兼容性（biocompatability）。  对于这些原因，通常情况下支架都是由从生物个体中获得的组织构成，即自生组织（autogenous tissue）。然而，很多情况下，所需要的支架区域必须足够的大，这就使得传统的移植自生组织的办法对于病人来说是行不通的。为器官再生定制一个3D打印支架的方法使得针对这种情况的治疗成为了可能，避免了为了形成支架而从病人自己的组织中取样的必要。在这个方面，3D打印技术已经成了开发能够被二次吸收的生物兼容性材料的一种有效途径[1],[2]。静电纺丝是被用作制备骨支架的传统方法之一，能够制造骨骼复制纤维（bone replicate fiber）其直径大小接近于纳米。这种制造技术依赖高压电向一个导电的旋转鼓面从一个管嘴喷洒含有骨骼替代物的纳米颗粒溶液。这种方法的局限性在于必须要使用高压电（常常大于20KV）以及缺少对支架立体结构和渗透性的控制[3],[4]。自生组织在骨移植手术中是十分理想的选择，因为其使得在移植部位新的骨骼生长成为了可能。来自外部移入物所造成的感染的风险被大大地降低因为是自生移植（autogenous grafts）[5]。绝大多数骨骼替代材料由羟磷灰石（HA,Ca10(PO4)6(OH)2），磷酸钙胶黏剂（CPC）,CaHPO4，磷酸钙陶瓷（磷酸三钙，（TCP,Ca3(PO4)2）或者CaHPO4.2H2O等生物陶瓷材料制得。因为这些材料类似于骨骼的矿物成分[],[]，不会产生排异反应。同时，许多新的复合材料,例如TCP和生物活性玻璃复合材料（bioactive glass mixture）,正在被测试其生物二次吸收性（bioresorption）和生物兼容性（biocompatibility）.这些材料正在被通过选择激光烧结(selected laser sintering)[],喷墨打印（inkjet-based printing）[6]而制备成3D支架结构，或者打印特定的混合了有机胶黏剂的粉末状材料形成一个陶瓷3D支架。患者体内移植物的多孔性（porosity）十分的重要，因为与骨组织相连的移植物（implant）将会从骨组织一直向内生长到修复组织的的空隙之中去.并且因为还原性材料的存在而促进了支架的生物降解[7]。3D打印支架的多孔性和空隙尺寸促使了骨骼向内生长，其空隙尺寸为500-1000微米[8]。其中，肉眼可看到的空隙大小从小于20微米到0.5毫米范围变化不等[8],[9]。每种骨骼替代材料都有一种不同的空隙尺寸和渗透性[7].骨骼支架的选取主要取决于移植的目的。因为被用来形成3D移植组织的材料具有不同的再次吸收次数.例如，三斜磷钙石（monetite）结构已经被发现比透钙磷石（brushite）更容易被肌肉吸收[10].许多文献已经详细列举了基于3D打印技术用各种生物陶瓷材料打印人人造骨骼的制造方法以及这些骨骼替代材料在人体内或体外的测试结果。对于软组织而言，其之前也被报道能通过许多方法来制备，其中就包括热引导相分离（thermally induced phase separation）[11].这种方法需要将混有溶液的高分子被注入到一个玻璃铸模之中去；在几个耗时较长的步骤后（包括浸在液氮中3小时，紧接着被浸在酒精中7天以便除去溶液并且干燥1天），然后支架就完成了。软组织制造的传统方法涉及漫长的过程并且对支架的多孔性缺少控制。而通过运用3D组织工程，这种弊端被有效地避免，那意着将人造器官运用在器官移植中是可行的。3D打印让这一技术离最终的目标更加进了一步，其使细胞跟凝胶的打印成为了可能，这些凝胶实质上是一种水合高分子，它们提供了一种细胞能够在其上面粘附并生长的可降解结构[11]。在使用组织工程专用水凝胶时，支架必须是生物兼容的，而且能够始终保持它的结构，这样才能使得细胞的粘附和生长成为可能。支架的维度从微米到毫米间变化。材料的选择取决于所需支架的强度，多孔性和组织器官的类型（即软组织还是硬组织）。水凝胶是3D打印软组织的最佳材料[]。据报道，在组织工程所用支架中，最理想的多孔性成分含量在60%到80%之间，孔隙尺寸在100到500微米之间[12]。3D组织工程技术可以打印细胞跟组织支架材料以及各种各样的能被用来满足特殊用途的复合材料。喷墨打印是软组织制造过程中最常用的3D打印技术。比起传统方法，其能够使制备时间大大地缩短。