光固化3D打印软组织材料的性能研究进展

光固化3D打印技术具有成型速度快、精度高的特点,可以精确控制需打印软组织的大小、形状和强度等,完成所需替代软组织支架的高匹配定制,有效解决软组织替代物的巨大缺口。目前该技术的应用范围取决于光敏材料的性能,首先,需具备适当的黏度、固化时间和固化收缩率等,以执行光固化打印并能控制打印组织的精度;其次,打印组织还需满足机体使用的机械性能(如强度、硬度、韧性)和良好的生物相容性(如促细胞黏附、增殖及分化),而降解性质、孔隙率、血管化等直接影响打印组织的机械性能或生物相容性。综述软组织支架打印所需光敏材料的基本性能和特殊性能要求及目前改良材料性能的方法,并展望光敏材料的发展趋势,对软组织工程光敏打印材料的开发具有指导意义。     

3D打印β-TCP/HA/PLA骨移植支架材料的研究

目的 制备个性化的3D打印骨移植支架修复材料,以满足骨缺损患者的需求.方法 运用计算机软件CAD设计出三维木堆结构的模型图,通过三维气浮运动平台,使用3D打印方法模拟出三维木堆结构的复合β-磷酸三钙(β-TCP)、羟基磷灰石(HA)和聚乳酸(PLA)材料的支架.再对支架材料进行抽真空热处理,X射线能谱仪检测其氯仿残留量,扫描电镜观察支架材料的表面形貌,最后用噻唑蓝(MTT)法检测支架材料对人SV40转染成骨细胞hFOB1.19的毒性.结果 当打印浆料的挤出气压在137.9～413.7kPa内,可打印出β-TCP/HA/PLA三维骨移植支架材料.成型后的三维骨移植支架材料经90℃保温抽真空处理及150℃热处理后能消除其中的氯仿;材料表面粗糙,拥有表面细孔和内部连通的微孔;其同hFOB1.19细胞共培养7d,细胞毒性等级为0级.结论 本研究制备的3D打印β-TCP/HA/PLA骨移植支架材料表面粗糙而具有通孔,利于成骨细胞的培养,且骨诱导作用明显,体现出3D打印在制备骨移植多孔材料上拥有很大的优势和发展前景.     

3D打印金属椎体替代物力学性能

目的 对钛网及3D打印金属椎体替代物力学性能进行研究,为临床中人工椎体选择与结构优化设计提供指导。方法 通过压缩力学测试,对钛网及3D打印多孔型、桁架型与拓扑型椎体替代物的等效力学属性与结构破坏形式进行系统研究。结果 钛网等效弹性模量[(2 908.73±287.39) MPa]仅次于拓扑型椎体替代物,但其结构强度与稳定性较差,等效屈服强度[(46.61±4.85) MPa]仅高于多孔型椎体替代物,且在压缩中率先屈服;多孔型椎体替代物结构强度[(18.14±0.17)~(25.79±0.40) MPa)]不足,难以满足脊柱重建力学要求;桁架型椎体替代物等效弹性模量[(2 477.86±55.19)~(2 620.08±194.36)MPa]与等效屈服强度[(77.61±0.50)~(88.42±1.07) MPa]良好但稳定性不足,在压缩过程中容易出现失稳现象;拓扑型椎体替代物具有最高的等效弹性模量[(3 746.28±183.80) MPa]与等效屈服强度[(177.43±3.82) MPa],可为人工椎体在体服役安全稳定提供更强保障。结论 拓扑优化方法可实现椎体替代物高强度、高稳定性设计,提供更大的设计空间与安全余量,为人工椎体轻量化与新材料设计提供更多可能。     

基于3D打印技术的烧伤再生医学研究

[内容介绍]随着经济水平的不断提高,我国烧伤患者数量呈逐年下降趋势.虽然烧伤导致的病死率有显著下降趋势,但其仍为非致命性儿童伤害中的第三大常见原因.烧伤给患者家庭及整个医疗系统也会带来巨大的经济负担,若未合并吸入性损伤,烧伤后患者人均住院费用是1.25万元;若合并吸入性损伤,烧伤后患者住院费用则会增加7倍.累及真皮层的...     

聚醚醚酮各向异性 3D 打印对股骨替代物力学性能的影响

目的 针对材料挤出成形3D打印聚醚醚酮(polyetheretherketone, PEEK)骨替代物制造工艺存在明显各向异性的问题,以下肢股骨为例,研究不同摆放方式下3D打印PEEK股骨替代物的力学性能。方法 在有限元模型中模拟人体步态周期中5种姿态,改变正交各向异性,计算不同打印摆放方式下股骨应力与变形,并通过力学实验研究3D打印PEEK股骨的安全性与稳定性。结果 竖直摆放优于水平摆放方式,此时3D打印PEEK股骨替代物最大应力为46.56 MPa,低于PEEK材料的屈服强度但变形量大于自然股骨,满足服役过程中力学性能需求,而承载稳定性有待提高。结论 使用材料挤出成形制造承重骨时应优先采用竖直摆放的方式,3D打印技术在用于承重部位骨替代物时应谨慎考虑其各向异性对替代物服役性能的影响。     

调控光固化3D打印水凝胶力学性能策略的研究进展

光固化三维(three dimension, 3D)打印技术在组织器官构建等生物医学领域有广泛应用,水凝胶是常用的生物3D打印材料,其力学性能是影响3D打印生物制品质量的重要因素之一。本文从水凝胶网络结构、制备工艺条件及3D打印结构等方面综述了改善光固化3D打印水凝胶力学性能的方法,简述了目前光固化3D打印水凝胶在力学性能研究方面所面临的挑战,为进一步改善光固化3D打印水凝胶的力学性能提供参考。     

3D打印生物材料微小力学性能自动测量系统的设计

背景：在现有的组织工程支架评价体系中,需要在多个方面测试支架的力学强度以保证其可以满足临床应用的要求,但由于生物复合材料的力学性能测量是一个微小变形的测量,目前市面上很难有专业的测量仪器满足测试的精度要求,常用的硬度仪或拉伸实验仪也难以达到支架力学性能的要求。目的：开发研究一款具有自动检测硬度和韧性的测试系统来检测生物支架的力学性能。方法：研发的测试系统采用两组差动电桥分别实现应力和应变的输出,在恒定的温度、湿度及应变速度下进行不同方式的力学实验,获取材料的各项力学性能。针对复合生物材料的特殊性,通过对纳米纤维素和聚己内酯组成的生物复合材料进行设备的测试来验证该测试系统能否满足要求。结果与结论：实验开发研究的测试系统能够准确测量生物材料支架的力学性能,将被测支架的“力-位移”加载曲线斜率作为支架的韧性/硬度的表征,能够直观反映支架力学性能的好坏,同时该测试系统的精度能够达到0.1μm,这对3D生物打印技术运用到组织修复的建立具有理论依据和应用价值。     

3D打印多孔钛支架微观孔隙结构和力学性能

目的研究3D打印技术制造的钻石分子结构多孔钛支架的微观孔隙结构和力学性能,指导3D打印多孔钛骨科植入物的开发。方法采用选择性激光熔化(selective laser melting,SLM)和电子束熔化(electron beam melting,EBM)两种金属3D打印制造工艺,制造钻石分子结构多孔Ti6Al4V支架。使用光学显微镜和扫描电镜观察其微观孔隙结构,并使用万能材料试验机对这些支架进行压缩测试。结果两种3D打印制造工艺都会存在加工误差,并且在表面存在半熔融金属颗粒。SLM工艺相对误差为20.9%~35.8%。EBM工艺相对误差为-9.1%~46.8%,且制造不出杆件宽度为0.2 mm的支架。SLM工艺制造的支架抗压强度为99.7~192.6 MPa,弹性模量为2.43~4.23 GPa。EBM工艺制造的支架抗压强度为39.5~96.9 MPa,弹性模量为1.44~2.83 GPa。结论 SLM工艺比EBM工艺制造精度高。支架的孔隙率是影响其抗压强度和弹性模量的主要因素,相同工艺的情况下,孔隙率越大,抗压强度越小,弹性模量也越小;相近孔隙率的情况下,SLM工艺比EBM工艺强度高,弹性模量也高。     

HA涂层对3D打印钛合金材料安全性的影响

目的 探究羟基磷灰石（HA）涂层对3D打印钛合金材料生物安全性的影响。方法 将3D打印钛合金材料分为有HA涂层材料和无HA涂层材料两个样品组。分别进行细胞毒性、刺激、急性毒性、溶血、回复突变、小鼠淋巴瘤试验和细胞致癌试验,将两种材料的生物安全性评价进行对比,观察羟基磷灰石（HA）涂层对3D打印钛合金髋臼杯材料的生物安全性的影响。结果 在细胞毒性试验中,有HA涂层组的细胞存活率为（117±6）%,无HA涂层组的细胞存活率为（106±14）%,均大于75%;在刺激试验中,两种材料生理盐水浸提液组的积分均为0,玉米油浸提液组的积分均为0.06;在急性毒性试验中,各组小鼠体重均稳步增长;在溶血试验中,有HA涂层材料的溶血率为0.125%,无HA涂层材料的溶血率为-0.257%;在Ames试验中,两种材料的回复突变菌落数均在正常值范围内;在小鼠淋巴瘤试验中,各剂量组的突变频率MF均大于或小于阴性对照组,且稍微高于阴性对照组的剂量组均不超过126×10-6。结论 两种材料均不具有细胞毒性、急性毒性、刺激和遗传毒性,同时也证明了两种材料都不具有溶血作用。有HA涂层材料和无HA涂层材料均表现出良好的生物安全性,证明HA涂层材料是安全可靠的,这也为未来开钛合金材料通过添加涂层改性提供了安全依据。     

脊柱3D打印椎间融合器材料的初步展望

总结可用于3D打印脊柱椎间融合器各种材料的研究现状并展望其未来发展方向。作者通过检索Pub Med数据库、中国知网数据库(CNKI)以及中国生物医学文献服务系统(Sino Med)中2000年至2016年国内外发表有关3D打印技术在脊柱外科植入物应用的文献。目前,已经用于制备椎间融合器的3D打印材料主要包括金属类(以钛为主)、非金属类。以上材料制作的3D打印骨科植入物部分已应用于临床,但椎间融合器的研发及应用鲜有报道,其安全性及术后长期相关并发症、相关法规等问题尚待解决。3D打印技术能够让脊柱植入物手术更加精细、更加准确并且更加安全可靠,能够提供个性化定制的椎间融合器。随着材料学、3D以及4D打印技术的迅猛发展,更多的多维打印椎间融合器及其他体内植入物将会被研发并应用于临床。     

针对3D打印材料孔洞应力集中计算的映射算法

目的利用映射算法以较小计算成本获得3D打印材料孔洞应力集中分布情况,为3D打印材料疲劳寿命预测及结构优化设计的有限元分析提供新方法。方法提取单个孔洞应力集中影响范围内的节点及应力,并计算出各节点的应力集中系数。以寻找最近点的方式将无孔洞模型相应节点的应力值乘以不同的应力集中系数来体现孔洞的应力集中。若多节点映射到同一节点,则乘以多个应力集中系数的平均值;对距离边界较近的点,则乘以边界影响系数。结果材料内部孔洞的映射结果与实际计算结果误差小于8%;而对于自由边界孔洞聚集的情况,误差小于15%。结论映射算法能够有效表征3D打印材料孔洞的应力集中,以较小的成本获得含孔洞缺陷模型的应力分布。该算法为临床植入体优化设计及疲劳分析提供有限元结果。     

医用3D打印材料应用于骨缺损修复的研究进展

正骨缺损是指骨的结构完整性被破坏,主要由于创伤、感染、肿瘤、骨髓炎手术清创、骨肿瘤切除、关节置换术后翻修以及各种先天性疾病导致。骨移植作为主流的治疗方法广泛应用于临床,但同时,来源有限及免疫反应等问题也应运而生。骨组织工程为骨缺损治疗提供了新的思路和方法,其主要思路是应用生物材料与干细胞及生长因子相结合,构建复合支架修复骨缺损。随着3D打印技术的发展和成熟,尤其在骨缺     

3D打印气管补片细胞相容性和生物力学性能研究

目的 研究3D打印气管补片的生物力学性能及其与骨髓间充质干细胞(BMSCs)的生物相容性.方法 从幼年新西兰大白兔胫骨平台抽取骨髓,通过全骨髓培养及贴壁纯化法获取BMSCs进行培养和传代.对3D打印气管补片进行生物力学测试;同时将其与BMSCs共培养后进行细胞形态观察,并用磺酰罗丹明B(SRB)比色法测定细胞增殖活性.结果 3D打印气管补片具有良好的生物力学性能;其与BMSCs共培养后细胞形态正常,贴壁生长良好,且SRB比色法显示细胞增殖良好.结论 3D打印气管补片具备良好的生物力学性能和生物相容性,是一种具有开发潜力的生物材料,可用于组织工程气管的体外构建.     

3D打印人体器官的构建

正1 3D打印技术1.1概述3D打印(3D printing)技术即3D快速成型(3D rapid manufacturing)技术或增材制造(additive manufacturing)技术,是20世纪90年代中期出现的,是制造业领域飞速发展的一项新兴技术,公认为"具有工业革命意义的制造技术"~([1])。在计算机的控制下,基于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3D打印机这种特定的成型工具,用     

基于3D打印羟基磷灰石支架的填充结构与力学性能研究

3D打印骨组织工程支架是近来的研究热点,而制备同时具有高孔隙率和足够力学性能的骨组织工程支架是研究的难点之一。在孔隙率相同条件下,探究不同填充角度结构对3D打印支架力学性能影响。首先用SolidWorks软件设计孔隙率相同的3种不同填充角度(45°、60°、90°)支架结构,以交点处结构作为支架的最小支撑单元,并用ABAQUS软件对其进行力学性能仿真,对仿真所得单元结构压缩模量进行累加,探究填充角度对支架力学性能的影响;进而通过3D打印制备3种填充结构的羟基磷灰石支架,测试支架的孔隙率和力学性能,对仿真结果进行验证。结果表明,仿真所得3种填充结构的压缩模量比为E_s(90°)∶E_s(60°)∶E_s(45°)=12.3∶10.9∶10.0。打印得到3种不同填充角度(90°,60°,45°)的羟基磷灰石支架孔隙率无显著性差异,其压缩模量比为E_s(90°)∶E_s(60°)∶E_s(45°)=15.4∶13.1∶10.0,与仿真结果趋势一致,90°填充的支架具有最高的抗压强度((7.36±0.63) MPa)和压缩模量((33.55 ± 2.49) MPa),与力学性能最低的45°填充支架相比,抗压强提高74.8%,压缩模量提高55.18%。在孔隙率相同的条件下,单个孔型面积越小,其压缩模量和抗压强度越高。该研究为制备最优填充结构的3D打印生物支架提供分析方法和理论依据。     

填充结构对3D打印聚己内酯支架力学性能的影响

背景:3D打印聚己内酯组织工程支架是近些年来研究的热点之一,选择合适的材料制备力学性能优良的多孔支架是当前研究的难点。目的:制备不同填充结构的三维多孔聚己内酯支架,研究其机械性能。方法:设计0°/90°、0°/60°、0°/60°/120°、0°/45°和0°/45°/90°/135°5种填充结构,采用生物3D打印机打印三维多孔聚己内酯支架,测试支架的孔隙率及压缩和拉伸性能。结果与结论:(1)5种支架的孔隙率比较差异无显著性意义(P> 0.05);(2)从Z方向压缩时,不同填充结构聚己内酯支架的压缩性能差异很小;(3)从Y方向压缩时,0°/45°、0°/60°、0°/90°三种支架的压缩性能随填充角度增加而增强,0°/45°/90°/135°支架的压缩模量和强度比0°/45°支架高,0°/60°/120°支架的压缩模量和强度比0°/60°支架强;(4)从X方向压缩时,支架压缩模量和强度的规律与Y方向压缩相反;在5种支架中,0°/45°/90°/135°支架的拉伸模量和强度最大,0°/90°支架的拉伸模量和强度最小,0°/45°、0°/60°、0°/90°支架的拉伸强度和模量随角度...     

3D打印生物墨水在组织修复与再生医学中的应用

背景：通过选用合适的生物墨水,3D打印技术可用以制造人体组织和器官的代替物,并在人体内发挥作用。近些年来3D打印技术发展迅速,在再生医学中有着巨大的应用潜力。目的：介绍3D打印用生物墨水的类型,并综述生物墨水的分类、应用、优缺点及未来愿景。方法：以“3D printing,Biological ink,Tissue engineering,hydrogel,Synthetic material,Cytoactive factor,3D打印、生物墨水、组织工程”为检索词,运用计算机检索2000-2022年以来发表在PubMed、CNKI数据库中的相关文献,最终纳入83篇进行综述。结果与结论：在过去的几十年里,生物3D打印技术发展迅速,在组织工程和生物医学等各个领域都受到了极大的关注。相对于传统生物支架制造方法在功能性及结构方面受到的限制,3D打印可以更好地模拟生物组织复杂的结构,并且具有合适的力学、流变学和生物学特性。生物墨水是3D打印中必不可少的一部分,通过生物材料制备的生物墨水,经打印后产生的生物支架在组织修复和再生医学等方面有着巨大的科研潜力及临床意义,其材料的研究本身也越来越受到...     

颅骨修补材料研究现状及3D打印技术应用前景

BACKGROUND: Skull repair materials cannot only restore the normal shape of the skull, but also play an important role in brain functional recovery. OBJECTIVE: To summarize the research status of polyetheretherketone (PEEK), titanium alloy and tissue engineering technique in cranioplasty and the prospect of three-dimensional (3D) printing technology. METHODS: Literatures related to skull repair materials were retrieved in databases of CNKI and PubMed published from 1995 to 2016, using the keywords of “bone regeneration material in calvarial, 3d printing bone scaffold” in Chinese and English, respectively.  RESULTS AND CONCLUSION: Although titanium and PEEK have been used in clinic, titanium holds conductivity, thermal conductivity, while PEEK that may be displaced or lost is not involved in osseointegration. Tissue engineering technology participates in the skull tissue reconstruction, achieving satisfactory repair outcomes, but the problems of scaffold selection and preparation, seed cell obtainment, and growth factor release need to be overcomed. 3D printing technology can print personalized shape, fit the defect precisely, but the raw materials should have good biocompatibility and biomechanical property. Combination of tissue engineering technology with 3D printing technology shows a broad prospect in cranioplasty.     

3D打印心血管组织的研究进展

<正>据中国卫生权威部门估计,每年有30万人~([1])因为终末器官衰竭需要器官移植,且这个数字还在不断扩增。2006年,中国就以年度11 000例的器官移植量全球排名第2~([2]),供体器官来源严重不足。不仅如此,器官移植后的免疫排斥反应是患者需要承担的一大风险,长期服用免疫抑制剂也加重了患者的家庭负担。面对日益严峻的形势,构建人工组织、器官是解决这一问     

生物3D打印干细胞的研究进展

<正>组织工程是一门由生物学、工程学和材料学交叉结合的新兴学科~([1])。主要研究以具有相似生理及形态结构的人造复合物来修复人类损伤的组织或器官,对破损或者病变的部位实现其结构和功能的替代和重建。其主要原理是利用工程学技术,选用具有良好生物相容性的材料模拟构建损伤部位的结构形态,用体外培养的方式使正常的组织细胞进行增殖,将