機械超材料：增材制造應用于生物醫(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：1.武漢輕工大學2.上海交通大學3.四川大學4.新加坡南洋理工大學5.瑞典皇家理工學院

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重要的作用，使患者能夠在疾病或損傷后恢復其形態(tài)和功能。近年來，機械超材料在生物醫(yī)學領域的應用有了很大的發(fā)展。這些超材料具有獨特的結構和性能，使它們能夠通過精確控制其微觀結構來實現(xiàn)特定的功能。

機械超材料的增材制造及其在生物醫(yī)學領域的應用已經(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)學領域增材制造及其超材料的最新進展（如圖1）。

圖1  增材制造技術在生物醫(yī)學領域的應用，特別是在制造機械超材料方面。

近期，武漢輕工大學的陳俊升碩士生、陳繼兵副教授、上海交通大學的王洪澤教授，四川大學的何亮教授，瑞典皇家理工學院的Sasan Dadbakhsh教授以及新加坡南洋理工大學的黃博洋博士生和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)療領域增材制造的應用等前沿進展，提出了基于生物仿生結構的超材料的發(fā)展思路（圖2），對生物醫(yī)療領域發(fā)展具有重要意義。

圖2  動物仿生機械超材料的應用。

亮  點
1. 介紹了用于制造多孔生物醫(yī)學結構的各種增材制造技術；
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. 總結了從重復的晶格、TPMS到自然靈感的各種結構的設計；
4. 展望了增材制造生物醫(yī)學材料的未來應用前景和發(fā)展趨勢。

圖文解析
圖3展示了擠出增材制造技術在生物醫(yī)學領域的不同應用場景。圖3a基于擠壓的3D打印技術來打印軟半月板，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構。圖3b展示了將具有大孔結構的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  擠壓技術在生物醫(yī)學領域的不同應用場景。

總結與展望
未來，生物打印作為一種特殊的增材制造技術，將能夠精確地工程化生物材料、生長因子和細胞，以實現(xiàn)復雜的組織結構。人工智能（AI）也將在推動這些技術的發(fā)展中發(fā)揮越來越重要的作用，通過優(yōu)化生物打印結構和機械超材料的設計和功能。預計AI算法將根據(jù)微觀結構、生物打印參數(shù)和材料組成預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

陳俊升，武漢輕工大學機械工程學院碩士研究生，師從陳繼兵副教授。主要研究方向為增材制造技術（3D打�。�，研究生期間在《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

陳繼兵，博士，副教授，碩士生導師。畢業(yè)于華中科技大學材料加工工程專業(yè)，主要從事金屬/復合材料增材制造技術（3D打�。�、電子封裝技術、大功率器件可靠性等方向的研究工作，湖北省機械工程學會塑性工程專業(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)表學術論文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，指導大學生參加國家/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,擔任《Progress in Natural Science: Materials International》和《Electronics and Signal Processing》期刊青年編委，還擔任《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。