機械超材料：增材制造應(yīng)用于生物醫(yī)療

來源： 極端制造
作 者：陳俊升1，陳繼兵1，王洪澤2，何亮3，黃博洋4，Sasan Dadbakhsh5，Paulo Bartolo4
機 構(gòu)：1.武漢輕工大學(xué)2.上海交通大學(xué)3.四川大學(xué)4.新加坡南洋理工大學(xué)5.瑞典皇家理工學(xué)院

在全球老齡化趨勢的背景下，對生物材料的需求不斷增長，可以解決人口老齡化的醫(yī)療保健需求。生物材料在功能性植入物的制造中起著至關(guān)重要的作用，使患者能夠在疾病或損傷后恢復(fù)其形態(tài)和功能。近年來，機械超材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用有了很大的發(fā)展。這些超材料具有獨特的結(jié)構(gòu)和性能，使它們能夠通過精確控制其微觀結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)特定的功能。

機械超材料的增材制造及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成為一個新興的話題。然而，對這一研究的全面回顧一直缺乏。為了解決這一差距，本文系統(tǒng)概述了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域增材制造及其超材料的最新進展（如圖1）。

圖1  增材制造技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是在制造機械超材料方面。

近期，武漢輕工大學(xué)的陳俊升碩士生、陳繼兵副教授、上海交通大學(xué)的王洪澤教授，四川大學(xué)的何亮教授，瑞典皇家理工學(xué)院的Sasan Dadbakhsh教授以及新加坡南洋理工大學(xué)的黃博洋博士生和Paulo Bartolo教授，在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）期刊上發(fā)表了題為《Fabrication and development of mechanical metamaterials via additive manufacturing for biomedical applications: a review》的文章，綜述了生物醫(yī)療領(lǐng)域增材制造的應(yīng)用等前沿進展，提出了基于生物仿生結(jié)構(gòu)的超材料的發(fā)展思路（圖2），對生物醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)展具有重要意義。

圖2  動物仿生機械超材料的應(yīng)用。

亮  點
1. 介紹了用于制造多孔生物醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)的各種增材制造技術(shù)；
2. 概述了從金屬材料、聚合物、陶瓷到活性細胞各類生物醫(yī)療材料；
3. 總結(jié)了從重復(fù)的晶格、TPMS到自然靈感的各種結(jié)構(gòu)的設(shè)計；
4. 展望了增材制造生物醫(yī)學(xué)材料的未來應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢。

圖文解析
圖3展示了擠出增材制造技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的不同應(yīng)用場景。圖3a基于擠壓的3D打印技術(shù)來打印軟半月板，該半月板是用由聚乳酸（PLLA）納米纖維、人脂肪源干細胞（hASCs）和海藻酸鹽水凝膠組成的納米纖維生物墨水打印的。這種含有納米纖維的生物墨水已被證明能夠?qū)崿F(xiàn)更高的細胞增殖水平，并促進形成軟骨組織結(jié)構(gòu)。圖3b展示了將具有大孔結(jié)構(gòu)的HA支架植入山羊的腕骨和跖骨中。將人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2rhBMP-2添加到多孔支架后，填充骨組織的空隙百分比增加，并證實促進了愈合。圖3c是一種適用于皮膚組織修復(fù)的高孔隙率膠原支架的低溫繪圖方法。細胞的有效遷移和產(chǎn)生高度分化的角質(zhì)形成細胞，同時證明了該支架具有極佳的生物相容性。

圖3  擠壓技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的不同應(yīng)用場景。

總結(jié)與展望
未來，生物打印作為一種特殊的增材制造技術(shù)，將能夠精確地工程化生物材料、生長因子和細胞，以實現(xiàn)復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)。人工智能（AI）也將在推動這些技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮越來越重要的作用，通過優(yōu)化生物打印結(jié)構(gòu)和機械超材料的設(shè)計和功能。預(yù)計AI算法將根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)、生物打印參數(shù)和材料組成預(yù)測植入物的機械性能，以便優(yōu)化細胞存活和功能。

作者簡介

陳俊升
武漢輕工大學(xué)

陳俊升，武漢輕工大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生，師從陳繼兵副教授。主要研究方向為增材制造技術(shù)（3D打?。芯可陂g在《Int. J. Extreme Manuf.》和《Trans. Nonferr. Metals Soc. China》等期刊發(fā)表SCI論文3篇。

陳繼兵
武漢輕工大學(xué)

陳繼兵，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。畢業(yè)于華中科技大學(xué)材料加工工程專業(yè)，主要從事金屬/復(fù)合材料增材制造技術(shù)（3D打?。?、電子封裝技術(shù)、大功率器件可靠性等方向的研究工作，湖北省機械工程學(xué)會塑性工程專業(yè)委員會理事。以第一作者或通訊作者在國內(nèi)外期刊如《Int. J. Extreme Manuf.》《Biofabrication》《J. Manuf. Process.》《Prog. Nat. Sci. Mater. Int.》等發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，其中被SCI和EI收錄論文近40余篇，申請專利70余項，其中授權(quán)發(fā)明專利12項，出版“十四五”普通高等院校機械類規(guī)劃教材3部，指導(dǎo)大學(xué)生參加國家/省級大賽獲得一等獎10余項，主持或參與國家級、省部級項目10余項,擔(dān)任《Progress in Natural Science: Materials International》和《Electronics and Signal Processing》期刊青年編委，還擔(dān)任《Rapid Prototyping Journal》《Materials》《Journal of Laser Applications》《Journal of Adhesion Science and Technology》和《Soldering & Surface Mount Technology》等10余種SCI期刊審稿人。