洞察

仿乌贼骨多级结构的SiOC陶瓷在800℃背温实验中可长期保持较低背面温度（≤200℃），展现出卓越的隔热性能。这种材料具备一定的潜力用于制造航空航天器的热防护系统，如超音速飞机耐热板、发动机隔热罩、火箭发动机喷管隔热层等，有效保护内部结构免受高温损伤。”

新型陶瓷光固化增材制造技术是一种利用光照方式固化光敏浆料，实现分层制造的工艺。该工艺可实现高精度复杂形状陶瓷的快速制备，在航空航天、生物医疗和新能源等领域展现出巨大潜力。

近期，中国科学院金属研究所张兴、曹磊研究课题组利用陶瓷光固化增材制造技术制备了仿乌贼骨多级结构的SiOC陶瓷（图1），研究发现具有仿生墙-脊复合结构的SiOC陶瓷压缩强度（13.37 MPa）显著高于单一墙结构陶瓷压缩强度（8.43 MPa）。同时，该仿乌贼骨多级结构的SiOC陶瓷在800℃背温实验中可长期保持较低背面温度（≤200℃），展现出卓越的隔热性能，为极端环境下的热防护系统开发提供了高效解决方案。研究工作发表于Materials Today Advances 21 (2024) 100466。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

海洋中存在的天然多孔材料海胆刺、墨鱼骨等因其具有轻质高强和良好的隔热、吸能特性，为仿生设计提供了丰富的灵感。2024年，张兴、曹磊研究团队基于天然海胆刺极小曲面结构结合光固化增材制造技术开发了生物活性磷酸钙陶瓷支架和硅氧碳复合多孔陶瓷，用于骨缺损修复和先进隔热材料设计。研究发现，生物活性磷酸钙陶瓷支架（图2）形成了与天然海胆刺相似的连通多孔结构，孔隙率~75%，压缩强度~31.5 MPa，成骨细胞能够在支架上有效粘附和生长，为承重骨缺损修复提供了创新解决方案。硅氧碳复合多孔陶瓷（图3）具有高比强度为9.73 × 10³ N•m•kg⁻¹、高孔隙率≥75%和低热导率为0.255 W/m•K。两项工作发表在Journal Materials Science & Technology上。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

研究团队还自主研制了两款陶瓷光固化增材制造设备（图4）。其中，IMRCeram针对低粘度陶瓷浆料打印成型，具有高精度、大幅面和连续快速打印等优势，打印速度可达1-5 mm/min。而IMRCeram 200针对高粘度陶瓷浆料打印成型，具有自动流平、连续填料功能。上述研究工作获得国家重点研发计划、中国科学院设备研制项目和国家部委项目支持。

图1. 仿乌贼骨多级结构SiOC陶瓷增材制造及其隔热性能研究图2. 光固化增材制造磷酸三钙极小曲面人工骨支架及其细胞生长情况

图3. 仿海胆刺结构SiOC隔热陶瓷及其隔热性能研究

图4. 自主研发陶瓷光固化3D打印机IMRCeram及IMRCeram 200及打印展示件

来源
中科院金属所

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以下文章来源于极端制造 IJEM ，作者Editorial Office

洞察

“增材制造（3D打印）机械超材料在生物领域展现出显著优势，增材制造能够根据患者的个体需求定制生物材料，尤其在个性化植入物和组织工程支架方面表现出色。未来随着技术进步和应用拓展，将在个性化医疗、组织工程和再生医学等领域发挥更大作用。”

I 作 者

陈俊升1，陈继兵1，王洪泽2，何亮3，黄博洋4，Sasan Dadbakhsh5，Paulo Bartolo4

I 机 构

1.武汉轻工大学

2.上海交通大学

3.四川大学

4.新加坡南洋理工大学

5.瑞典皇家理工学院

I Citation

Chen J S, Chen J B, Wang H Z, He L, Huang B Y,Dadbakhsh S, Bartolo P. 2025. Fabrication and development of mechanical metamaterials via additive manufacturing for biomedical applications: a review. Int. J. Extrem. Manuf. 7 012001.

 1. 文章导读

在全球老龄化趋势的背景下，对生物材料的需求不断增长，可以解决人口老龄化的医疗保健需求。生物材料在功能性植入物的制造中起着至关重要的作用，使患者能够在疾病或损伤后恢复其形态和功能。近年来，机械超材料在生物医学领域的应用有了很大的发展。这些超材料具有独特的结构和性能，使它们能够通过精确控制其微观结构来实现特定的功能。

机械超材料的增材制造及其在生物医学领域的应用已经成为一个新兴的话题。然而，对这一研究的全面回顾一直缺乏。为了解决这一差距，本文系统概述了生物医学领域增材制造及其超材料的最新进展（如图1）。

图1 增材制造技术在生物医学领域的应用，特别是在制造机械超材料方面。

近期，武汉轻工大学的陈俊升硕士生、陈继兵副教授、上海交通大学的王洪泽教授，四川大学的何亮教授，瑞典皇家理工学院的Sasan Dadbakhsh教授以及新加坡南洋理工大学的黄博洋博士生和Paulo Bartolo教授，在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）期刊上发表了题为《Fabrication and development of mechanical metamaterials via additive manufacturing for biomedical applications: a review》的文章，综述了生物医疗领域增材制造的应用等前沿进展，提出了基于生物仿生结构的超材料的发展思路（图2），对生物医疗领域发展具有重要意义。

图2 动物仿生机械超材料的应用。

I 关键词

生物医学应用；增材制造；机械超材料；仿生材料

I 亮 点

1. 介绍了用于制造多孔生物医学结构的各种增材制造技术；

2. 概述了从金属材料、聚合物、陶瓷到活性细胞各类生物医疗材料；

3. 总结了从重复的晶格、TPMS到自然灵感的各种结构的设计；

4. 展望了增材制造生物医学材料的未来应用前景和发展趋势。

 2. 图文解析

图3展示了挤出增材制造技术在生物医学领域的不同应用场景。图3a基于挤压的3D打印技术来打印软半月板，该半月板是用由聚乳酸（PLLA）纳米纤维、人脂肪源干细胞（hASCs）和海藻酸盐水凝胶组成的纳米纤维生物墨水打印的。这种含有纳米纤维的生物墨水已被证明能够实现更高的细胞增殖水平，并促进形成软骨组织结构。图3b展示了将具有大孔结构的HA支架植入山羊的腕骨和跖骨中。将人骨形态发生蛋白-2rhBMP-2添加到多孔支架后，填充骨组织的空隙百分比增加，并证实促进了愈合。图3c是一种适用于皮肤组织修复的高孔隙率胶原支架的低温绘图方法。细胞的有效迁移和产生高度分化的角质形成细胞，同时证明了该支架具有极佳的生物相容性。

图3 挤压技术在生物医学领域的不同应用场景。

 3. 总结与展望

未来，生物打印作为一种特殊的增材制造技术，将能够精确地工程化生物材料、生长因子和细胞，以实现复杂的组织结构。人工智能（AI）也将在推动这些技术的发展中发挥越来越重要的作用，通过优化生物打印结构和机械超材料的设计和功能。预计AI算法将根据微观结构、生物打印参数和材料组成预测植入物的机械性能，以便优化细胞存活和功能。

关于《极端制造》：

International Journal of Extreme Manufacturing (《极端制造》），简称IJEM，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子16.1，位列工程/制造学科领域第一。中科院分区工程技术1区。入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊。

来源

极端制造 l

极端制造｜机械超材料：增材制造应用于生物医疗

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近几十年来，生物3D打印因其能够操纵生物材料和细胞以精确创建复杂结构的能力而引起了广泛的研究关注。然而，由于技术和成本限制，生物3D打印产品(BPP)从实验室到临床的临床转化受到设计个性化和生产规模扩大方面的挑战的阻碍。

学术高地×产业枢纽

主办方：由中国机械工程学会生物制造工程分会

跨学科融合先锋：以工程学为锚点，整合生物医学、材料科学、临床医学等多领域顶尖学者，构建横跨“基础研究-技术开发-临床转化”的创新网络，牵头制定生物制造领域关键行业标准，持续推动学科边界突破。

同体基石：通过高频次国际学术论坛、青年学者培育计划、产学研联合攻关机制，成为学术界与产业界双向赋能的战略枢纽。

承办方：TCT亚洲展

产业资源整合者：依托亚洲领先的增材制造技术生态，深度连接医疗设备制造商、生物材料研发机构、临床医疗单位，打造从“技术验证”到“商业落地”的垂直转化通道。

本次峰会由清华大学的孙伟教授、林峰教授、熊卓教授担任联合主席，联动浙江大学、上海交通大学、四川大学、西安交通大学、中国科学院深圳先进技术研究院等顶尖学府的专家学者，打造覆盖“基础研究-技术开发-临床转化“全链议程。

 参会即入局

参会不仅是获取前沿技术洞察的绝佳机会，更是加入跨领域协作网络的重要平台。在这里，您的研究将在真实场景中得到验证，需求将迅速对接技术解决方案，产品也将加速迈向市场。

学术研究者：穿透技术瓶颈，解锁学科交叉新范式；

生物3D打印制造商：预判技术拐点，破解医疗级设备升级密码

医疗器械厂商：预判市场变量，打开高校专利池与早期合作窗口

TCT Asia 2025
时间与地点

3月17日 09:00 – 17:30
3月18日 09:00 – 17:30
3月19日 09:00 – 15:00

国家会展中心（上海）7.1&8.1馆

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以下文章来源于极端制造 IJEM ，作者Editorial Office

洞察

除了传统的骨科和牙科植入物，生物医用金属增材制造在心血管支架、人工关节、颅骨修复等领域也得到了广泛应用。此外，还拓展到了医疗器械的其他部件制造，如手术器械、康复设备等。生物医用金属增材制造涉及到材料科学、机械工程、医学、生物学等多个学科领域。未来，需要加强跨学科、跨行业的协同合作，形成产学研医一体化的发展模式。”

作者

李玉华、蒋德宇、朱瑞、杨成亮、王立强、张来昌

机构

西安科技大学、上海交通大学、上海电力大学、右江民族医学院附属医院、澳大利亚伊迪斯科文大学

Citation

Li Y H, Jiang D Y, Zhu R, Yang C L, Wang L Q, Zhang L C. 2025. Revolutionizing medical implant fabrication: advances in additive manufacturing of biomedical metals. Int. J. Extrem. Manuf. 7 022002.

 1. 文章导读

生物医学金属植入材料在临床上有着广泛的应用，包括牙科种植体、髋关节置换、骨板和螺钉等。然而，传统制造技术在应对个性化医疗需求、内部结构的精细控制以及提高材料利用率方面存在局限。以钛合金零件为例，传统工艺在制造复杂形状时，材料浪费率高达10:1至20:1，这造成了巨大的材料浪费。增材制造技术的出现为材料的制造带来了变革。它不仅能够实现生物打印，如打印心脏、肝脏和血管化肺泡等前沿医学应用，也在航空航天领域展现出巨大应用潜力，如打印飞机和火箭的零部件。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

此外，增材制造技术还被应用于建筑行业，实现了整栋建筑的快速建造。在医疗领域，增材制造技术能够根据患者的具体解剖结构和生理需求，设计并制造出与人体骨骼高度匹配的个性化植入物。通过精确控制植入物的内部多孔结构，增材制造不仅可以提高植入物的生物相容性，还能有效降低由于材料模量不匹配导致的应力屏蔽效应，促进骨组织的生长和修复。尽管如此，增材制造技术在实际应用中仍面临一些挑战。例如，柱状晶粒引起的各向异性、孔隙率的普遍存在以及裂纹的形成等问题，都是增材制造过程中亟需解决的技术难题。此外，材料选择、结构设计、工艺优化等也是影响所打印零部件的最终性能的关键因素。

近期，西安科技大学李玉华副教授、上海电力大学朱瑞教授、上海交通大学王立强研究员，澳大利亚埃迪斯科文大学张来昌教授在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表了《革命性医疗植入物制造: 生物医用金属增材制造进展》的综述论文。该综述探讨了增材制造技术在生物医用金属材料领域的最新进展，概述了增材制造技术如何应用于制造医用金属植入物，进而重点分析了钛合金、不锈钢、钴铬合金以及可降解合金等材料的性能。同时，该综述还介绍了4D打印技术、人工智能在增材制造中的应用，并讨论了增材制造技术在骨科、牙科、心血管科和神经外科等临床领域的实际应用案例。最后，文章指出了增材制造在医用金属制造方面所面临的挑战和未来发展方向。

关键词

增材制造、生物医学金属、医疗植入物、材料特性、临床应用

亮点

回顾了医用金属增材制造的最新进展；

总结了增材制造技术在不同生物医用金属材料中的应用；

介绍了4D打印技术以及人工智能与增材制造技术结合应用；

回顾了增材制造医用金属的性能与临床应用；

讨论了增材制造医用金属的挑战和未来发展方向。

图1 增材制造在多个领域的应用。

 2. 研究背景

生物医学金属植入材料在临床医学应用中至关重要。随着医用材料的发展和患者个性化需求的增加，传统医疗植入物的制造方法难以满足当前的临床需求。传统制造技术在制造具有复杂形状和多孔结构的医疗植入件存在一定的局限性，同时在材料利用效率上亦有所不足，这导致了大量的材料浪费。新兴的增材制造技术为生物医学金属植入件的制造带来了突破性的变革。这项技术以其逐层堆叠成型的制造原理和优势，为个性化、复杂形状植入件的制造提供了全新的解决方案。通过精确制备个性化的复杂结构零部件，增材制造技术不仅能够实现对植入件内部结构的精准调控，亦能显著提高材料的利用率，从而减少制造过程中材料的浪费。

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” 

本文通过论述增材制造技术在生物医学金属植入材料领域的最新进展，包括医用承重合金、可降解合金、新型金属材料以及4D打印技术的应用，可为增材制造技术未来的研究方向及技术的改进提供参考和启示。

 3. 最新进展

本文介绍了几种可用于医用金属的增材制造技术，包括PBF-LB（激光束粉末床熔融）、EB-PBF（电子束粉末床熔融）、SLS（选区激光烧结）和DED（定向能量沉积）。同时，分析了PBF-LB、EB-PBF、SLS和DED等不同增材制造技术的优缺点，还讨论了如何根据植入物的特性、机械性能、生产效率和设备成本等应用需求选择合适的增材制造技术。此外，本文还介绍了人工智能在医用金属增材制造技术领域的应用，文章还强调了后处理，如热处理和表面改性在提升植入物性能、满足医用要求的重要性。

图2 增材制造在医用金属植入物中的临床应用。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[61]。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[62]。转载许可来自参考文献[63]，版权2021，爱思唯尔。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[64]。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[65]。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[66]。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[67]。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[68]。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[69]。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[70]。

图3 用于生成具有给定刚度的桁架晶格的框架。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[216]。

文章详细介绍了目前使用的一系列材料，包括但不限于钛合金、不锈钢、钴铬合金、可降解镁合金、锌合金、铁合金、新型液态金属等。由于这些材料各具特色，文章逐一分析了它们的性能和属性，可根据具体需求和应用场景选择合适的材料体系。

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”

4D打印技术不仅继承了3D打印技术在制造复杂形状和结构上的自由度，还增添了其他维度的变化，使得材料能够响应外部反应，实现自我变形和功能的适应。镓基液态金属的引入为智能材料的开发提供了新的方向，亦为制造可重构和自适应的设备和产品提供了可能，并为读者提供一个4D打印技术发展的视野。另外，文章还介绍了增材制造技术在骨科、口腔科、心血管和神经外科方面的应用，并展望其在未来工业和医疗领域的应用前景。

图4 增材制造成形的医用钛合金。(a) PBF-LB- TiNi合金的性能。(i) TiNi原始形状(ii) TiNi弯曲状态，(iii) TiNi恢复过程，(iv) TiNi恢复形状。转载许可来自参考文献[268]，版权所有2022，爱思唯尔;(b) 增材制造法制备多孔Ti-6Al-4V-β-磷酸三钙(TCP)复合支架示意图。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[278];(c)锻造Ti-6Al-7Nb和Ti-6Al-4V合金的疲劳强度和腐蚀强度比较。转载许可来自参考文献[279]，版权2025，爱思唯尔。

图5 4D打印响应软机器人的应用。(a)和(b)通过近红外光响应LMPCs释放物体的演示。比例尺对应10mm。(c)和(d)用近红外光控制的LMPCs抓取和释放物体的演示。比例尺对应于10mm。(e)和(f)近红外照射后旋转结构恢复原形的演示。比例尺对应5mm。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[367]。

图6 增材制造在心血管支架的应用。(a)在不同状态下的支架: (i)初始状态、(ii)折叠状态、(iii)展开状态。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[418]; (b)在不同时间段所形成的支架内新生内膜: (i, ii) 1个月组新生内膜面积; (iii, iv) 6个月组新生内膜面积。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[418]; (c)支架对应的数字减影血管造影(DSA)结果。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[418]。

 4. 未来展望

诚然，我们必须认识到增材制造技术所遇到的障碍，例如成本考虑、遵法守规和后处理。在3D打印设备和高质量金属粉末的初始投资中以及大批量生产时，增材制造技术会有高成本等问题的担忧。然而，预计随着增材制造技术日臻成熟，其规模经济和行业竞争可能会减轻这些担忧。另外，医疗器械需要严格遵循相关国家监管部门的要求，并且在时间方面，获得医疗器械许可证的漫长过程是一个重大挑战。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

此外，后处理会影响交货时间，应予以细致权衡。克服这些障碍对于增材制造在生物医用材料应用至关重要，这需要行业相关者、研究人员和监管机构的共同努力。随着这些挑战的解决，利用增材制造技术制造医疗植入件会变得越来越可行，并且个性化、高性能的植入件有望更易于制造、更具成本效益。

来源

极端制造 l

极端制造 | 革命性医疗植入物制造: 生物医用金属增材制造进展

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以下文章来源于高分子科技 ，作者老酒高分子

洞察

“InterPore”支架采用生物可降解材料，避免了传统金属支架长期存留体内可能引起的远期并发症，如支架内血栓形成和炎症反应。这种生物降解性还减少了患者对异物的心理负担。“InterPore”微米纤维生物支架在生物相容性、细胞生长支持、力学性能和减少并发症风险等方面均优于传统金属支架，展现出广阔的应用前景。”

心肌组织持续的收缩舒张功能是人体心血管系统维持血液循环并为全身组织提供氧气和营养的基础。高密度心肌细胞的高度定向排布结构是实现这一功能的关键，保障了电信号的高效传播和心肌的同步收缩。因此，重建天然心肌的高密度细胞定向排布结构与有效的电耦合功能，对制造功能化三维活性心肌组织意义重大。

近期，西安交通大学李涤尘教授与贺健康教授团队基于自主开发的静电打印技术设计并制造了一种具有各向异性结构、纵向连通多孔的“InterPore”微米纤维生物支架，实现了具有高密度细胞定向排列的活性心肌组织制造。微米纤维支架中相互连接的多孔能够动态地、细胞介导地重塑纤维蛋白水凝胶，从而形成连续且机械稳定的高密度定向细胞束。与具有网格式独立孔的支架相比，大鼠原代心肌细胞形成的定向活性心肌组织显著促进了电生理特性和同步收缩功能。使用多重接种策略，该团队实现了8×107个/mL的等效细胞接种密度，促进了多细胞、血管化心肌组织的形成，并保障了组织的高活性和完整性。进一步，使用该策略与人源干细胞诱导心肌细胞相结合构建出了定向的活性源心肌组织，并随时间推移逐渐实现功能成熟。这些工作证明了InterPore微米纤维支架在心肌组织工程、药物筛选和临床治疗中的具有巨大潜力。

图1 “InterPore”微米纤维支架设计制造与引导高密度细胞定向排列原理图

图2 “InterPore”连通的纵向多孔结构促进细胞定向连续排列

图3 “InterPore”微米纤维支架可保障高密度定向细胞束结构稳定

图4 “InterPore”支架内细胞介导的纤维蛋白水凝胶各向异性重塑微观演化过程

图5 孔隙连接三维定向活性心肌组织的结构特征与电生理功能

图6 多次接种实现高密度、高活性和多细胞复杂组织制造

图7 人源定向活性心肌组织制造

相关研究成果以“Engineering Highly Aligned and Densely Populated Cardiac Muscle Bundles via Fibrin Remodeling in 3D-PrintedAnisotropic Microfibrous Lattices”为题发表在国际学术期刊《Advanced Materials》上。西安交通大学贺健康教授为论文的通讯作者，西安交通大学毛茅研究员与韩康博士生为论文共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金（52125501，52205317）支持。

原文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202419380

来源
高分子科技 l

西安交大李涤尘/贺健康团队 Adv. Mater.：3D打印微纤维支架引导高密度定向心肌组织构建

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增材制造技术因其成型方式的灵活性，非常适合制备复杂的仿生结构。这种技术能够模仿自然界中的多尺度、多材料和多功能结构，为仿生学研究提供了新的机遇。增材制造技术逐层累加材料的特点使其在制备仿生结构方面具有天然优势，不仅提升了结构的吸能、强度、刚度，还实现了传感、驱动、医学工程等多种功能

近日，重庆大学课题组，在复合材料学报上发表了《增材制造仿生结构的力学性能优化及其功能设计研究进展》。借助复合材料学报的分享，本期 与谷友共同领略关于3D打印在仿生结构方面的技术逻辑。

仿生结构通过模仿自然界动植物的结构，展现出卓越的力学性能和多种功能特性。例如，仿生管状结构、泡沫结构、夹心结构相较于普通结构具有更强的吸能特性。高强度仿生蜂窝结构和陀螺结构相较于普通结构在强度和承载能力上有显著提升。高刚度仿生结构如改善杆力学性能的新结构、珠层结构和双连续结构在刚度、冲击、弹性模量和弯曲模量上相较于传统结构有显著提高。

增材制造技术能够实现对材料的精确控制，包括材料的分布、层厚、结构的几何形状等，这使得复制自然界中精细复杂的结构成为可能。在力学性能优化方面，增材制造技术可以实现仿生结构的力学性能优化，如吸能、高强度、高刚度等，这使得复制自然界中的复杂结构在力学性能上更加精确和可靠。而在功能实现为导向的制造方面，增材制造技术还可以实现仿生结构的功能设计，如传感、驱动、医学等，这进一步增强了复制自然界结构的精确性和功能性。”

仿生结构受自然界动植物巧妙结构的启发，通常会表现出卓越的力学性能；同时，这类结构也受动植物维系生命功能天然设计的启发，能够表现出多种功能特性。得益于仿生结构突出的力学性能和强大的功能特性，其在航空航天、新能源、轨道交通甚至医学等领域都具有广泛的应用背景。

增材制造的成形方式正好十分契合仿生结构的形成，因此在研究清楚生物机理后，采用增材制造技术可以制备出具有优越力学性能和多样化功能的仿生结构。

1. 仿生管状结构、仿生泡沫结构、仿生夹心结构分别相较于普通管状结构、泡沫结构、夹心结构具有更强大的吸能特性；

2. 高强度仿生蜂窝结构（受马蹄启发的仿生蜂窝结构、多孔蜂窝结构）相较于普通蜂窝结构强度分别提升43.8%和62.1%、82.4%；高强度仿生陀螺结构（新型轻质TPMS芯夹层结构、受蝴蝶启发的超轻陀螺结构）相较于其常规结构具有更好的承载能力；

3. 高刚度仿生结构中，一种改善杆力学性能的新结构与实心杆相比，具有更高的刚度；两种珠层结构与纯几何结构相比，结构的冲击、弹性模量和弯曲模量分别提高了36%、29%和37%；双连续结构与纯陶瓷材料相比韧性提高了约116倍；

4. 通过模仿自然界中乌贼、跳蚤、细胞血管等生物结构对压电、应变、温度、湿度的感知特性，再采用增材制造技术制备的仿生传感结构具有性能优异、灵敏度高、适应性强的特点；

5. 通过模仿巴沙鱼、生物肌肉结构、含羞草等的运动机制，利用增材制造技术灵活制造的仿生驱动结构具有结构复杂、精度高、驱动性能好的特点；

6. 3D打印生物结构模仿生物结构灵巧、精密、耐久、适应性强的特点在医学领域的应用突破了很多医学技术的瓶颈，解决了骨骼、关节、半月板和皮肤再生技术，组织内部用药、神经植入监控技术等医学难题；

7. 通过模仿蝴蝶翅膀结构、树木的蒸腾过程、昆虫复眼的特点，利用增材制造技术制备，分别实现了电磁波吸收、太阳能转换、光学成像的功能。

随着仿生技术和增材制造技术越来越成熟，增材制造与仿生结构设计的结合在未来也会日趋广泛。目前利用增材制造技术制造仿生结构的相关报道仍相对偏少，这也许与增材制造技术成型过程易产生缺陷相关，但是增材制造技术成型技术的灵活性始终是科研者们选择它的一个坚定不移的理由。同时自然界中复杂结构远远超出传统的设计和制造技术的能力，这阻碍了仿生学研究的进展及其在工程系统中的使用。所以增材制造技术为模仿和制造自然界中的多尺度、多材料和多功能结构提供了新的机遇，这与增材制造逐层累加材料实现制备的成型特点离不开。采用增材制造技术制备仿生结构不仅仅在吸能、强度、刚度上有良好的提升，而且还实现了传感、驱动、医学工程等功能，这充分证明了增材制造技术与仿生结构设计相结合的重大意义。

来源
复合材料学报 l

【综述荐读】重庆大学付绍云教授团队：增材制造仿生结构的力学性能优化及其功能设计研究进展

刊名：复合材料学报

刊期：月刊

创刊时间：1984年7月

主办单位：北京航空航天大学；中国复合材料学会

出版单位：《复合材料学报》编辑部

获奖及入选核心情况：《复合材料学报》首批入选 “中国科技期刊卓越行动计划”，先后荣获“中国政府出版奖期刊奖提名奖”、“中国精品科技期刊”、“百种中国杰出学术期刊“、“中国最具国际影响力学术期刊”等，“材料科学-综合类高质量科技期刊分级目录”中的T1区期刊。《复合材料学报》被《EI》、Elsevier的《Scopus》、《EBSCO》(全文收录)、《CA》、《JST》、《Pж(AJ)》等国际著名检索数据库收录，同时为中国科技核心期刊(中国科技论文统计源期刊)、北大中文核心期刊，被《中国期刊网全文收录数据库，CNKI》、《中国科学引文数据库》、万方、维普、超星等数据库收录。

基本信息
作者：李家雨, 付宇彤* , 李元庆* , 付绍云*

单位：重庆大学　航空航天学院

收稿日期：2024-02-27；录用日期：2024-04-04

基金项目：国家自然科学基金-青年科学基金项目及重点项目(12202082；12332008)；重庆市自然科学基金面上项目(CSTB2022NSCQ-MSX0608)；第九届中国科协青年人才托举工程项目(2023QNRC001)；重庆市博士后创新人才支持计划(CQBX202206)

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医疗3D打印的价值主张是巨大的，这其中原有的创新推动新的创新出现，通过先进的医学成像技术来创建特定于患者或患者匹配的医疗解决方案的能力一直是医疗创新的驱动力——尤其是随着新的3D打印技术的发展。

本期，通过节选近期国内在医疗方面的实践与研究的多个闪光点， 与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

 3D导板引导下微创骨皮质切开术

     辅助正畸治疗骨性Ⅱ类错（牙合）畸形的临床研究

周杨一帆、张京剧、廖崇珊、李思进、倪可人、时函、康非吾

同济大学附属口腔医院口腔颌面外科、同济大学口腔医学院上海牙组织修复与再生工程技术研究中心、同济大学口腔医学研究所

亮点：

目的:探索三维(three dimensions,3D)打印导板引导的微创骨皮质切开术辅助正畸治疗骨性Ⅱ类错（牙合）畸形的临床效果。

方法:选取就诊于我院的24例成人骨性Ⅱ类上颌前突患者,均需拔除上颌双侧第一前磨牙并使用种植体支抗内收上前牙,将其随机分为2组,对照组行常规正畸治疗,研究组在关闭间隙开始时实行3D打印导板引导下的微创骨皮质切开术,术后加力方式同对照组。分别对2组患者软硬组织变化相关指标和临床效果相关指标进行分析和比较。

结果:研究组U1-SN(上中切牙长轴与SN连线交角)的变化值为(-1.49±2.18)°,U1-NA(上中切牙长轴与NA连线交角)为(-5.63±3.39)°,NA-Apo(颌突角)为-4.10(-4.60,-2.00)°,U1-Apo(上中切牙突距)为(-3.10±0.95) mm,与对照组相比,差异有统计学意义;研究组关闭拔牙间隙过程中牙齿的每月平均移动距离[(0.90±0.21) mm]显著大于对照组[(0.54±0.15) mm],术后的牙根均未损伤,研究组与对照组治疗后牙根吸收程度、牙周探诊深度均无明显差异。

结论:在骨性Ⅱ类的错（牙合）畸形患者掩饰性治疗中,辅助3D打印引导下微创骨皮质切开术可有效实现上颌前牙的整体移动,缩短治疗时间,手术并发症较少,是骨性Ⅱ类患者掩饰性正畸治疗有效的辅助手段。

 3D打印壳聚糖水凝胶的设计制备

     及其在生物医学中的应用

雷秀雪、吕永乐、王磊

北京科技大学材料科学与工程学院

亮点：

壳聚糖水凝胶具有良好的生物相容性和生物降解性能，被广泛的应用于生物医学领域。壳聚糖水凝胶通常是壳聚糖溶液通过凝胶化过程形成交联结构。具有复杂结构的壳聚糖水凝胶不能通过传统方式制备，进而限制了它在生物医学中的应用。3D打印技术是一种先进的制造技术，可以通过设计模型和调整打印参数制备具有个性化的水凝胶支架和具有高度复杂几何结构的水凝胶，这种水凝胶可以负载细胞和药物，以加速组织再生。壳聚糖水凝胶与3D打印结合在生物医学领域具有广阔的前景。综述了3D打印壳聚糖水凝胶的最新研究进展，根据交联策略的不同，从物理交联壳聚糖水凝胶和化学交联壳聚糖水凝胶两个方向分析了壳聚糖水凝胶的形成机理，讨论了常用的3D打印技术原理，包括喷墨式3D打印、挤出式3D打印以及光固化3D打印（立体光固化成型和投影式光固化成型），介绍了3D打印壳聚糖水凝胶在皮肤伤口愈合、骨组织工程、神经组织工程和药物递送系统中的应用，并对3D打印壳聚糖水凝胶在生物医学中的应用进行展望。

 自稳定零切迹3D打印

     人工椎体治疗脊髓型颈椎病

© 白皮书

李玉伟1李修智2严晓云1王海蛟1

1. 漯河市中心医院骨科2. 郑州大学医学院临床医学系

亮点：

目的 探讨颈前路椎体次全切减压融合术(anterior cervical corpectomy and fusion,ACCF)中应用自稳定零切迹3D打印人工椎体治疗脊髓型颈椎病的安全性和疗效。

方法 回顾性分析2022年1月—2023年2月符合选择标准的37例脊髓型颈椎病患者临床资料。颈前路单个椎体次全切除减压后，15例采用自稳定零切迹3D打印人工椎体行内固定融合(治疗组)，22例采用3D打印人工椎体和颈前路钛板行内固定融合(对照组)。两组患者年龄、性别、病变节段、病程以及术前日本骨科协会(JOA)评分等基线资料比较，差异均无统计学意义(P>0.05)。记录并对比两组手术时间、术中出血量、住院费用、JOA评分及改善率、术后假体下沉发生率、椎间融合情况等指标。

结果 与对照组相比，治疗组手术时间缩短、住院费用降低，差异有统计学意义(P<0.05)；术中出血量组间差异无统计学意义(P>0.05)。两组患者均获随访，治疗组随访时间6～21个月，平均13.7个月；对照组6～19个月，平均12.7个月。治疗组术后无患者发生吞咽困难，对照组5例发生吞咽困难，两组吞咽困难发生率差异有统计学意义(P<0.05)。术后12个月两组JOA评分均较术前改善(P<0.05)，但两组间JOA评分及改善率差异均无统计学意义(P>0.05)。影像学复查示，两组均达椎间融合，椎间融合时间差异无统计学意义(P>0.05)；末次随访时，治疗组2例、对照组3例发生假体下沉，发生率差异无统计学意义(P>0.05)。随访期间均未发生内植物移位或钛板螺钉断裂。

结论 采用自稳定零切迹3D打印人工椎体治疗脊髓型颈椎病，不仅能获得与3D打印人工椎体相似疗效，还能缩短手术时间，降低术后吞咽困难发生率。

 Ca元素添加对3D打印Ti模板渗流铸造

     Mg-1Zn-1Sn合金支架组织与性能的影响(英文)

© 白皮书

宇雷霆1刘昊1姜芃男1吕绍元1,2赵云1,2李伟1,2,3陈民芳1,2,3

1.天津理工大学材料科学与工程学院2. 天津理工大学功能材料国家级实验教学示范中心3. 天津理工大学光电材料与器件天津市重点实验室

亮点：

骨缺损患者在进行骨移植手术时需要植入多孔支架。本研究采用3D打印Ti支架为模板，渗流浇铸制备了Mg-1Zn-1Sn和Mg-1Zn-1Sn-0.2Ca合金支架，以实现支架内部完全连通和孔隙结构精准控制。

结果表明：三种孔径的P模型的实际孔隙率和孔径均大于设计值。Ca元素的加入使合金的第二相由Mg2Sn相转变为CaMgSn相，并且细化了显微组织。Mg-1Zn-1Sn-0.2Ca合金支架的抗压屈服强度和压缩模量分别达到32.61 MPa和0.23 GPa。其电化学腐蚀电流密度可达14.64μA/cm2，瞬时腐蚀速率为0.335 mm/y。两种合金支架均无细胞毒性，不仅表现了优异的生物相容性，而且对大肠杆菌的抗菌效果均高于97.81%。表明Mg合金支架在骨缺损治疗方面具有巨大的临床应用潜力。

 3D生物打印技术的分类评价及

     其应用于组织工程血管构建的研究进展

李霞飞1闫欢欢2杨托2张雪薇2张锦锦2陆晓生3陈俊杰4井长勤2赵亮2

1. 新乡医学院医学工程学院2. 新乡医学院生命科学技术学院3. 新乡医学院第三附属医院4. 马来西亚理科大学先进医学与牙医学院

亮点：

心血管疾病是一种重要的疾病，目前尚缺乏能够应用于冠脉搭桥手术的小口径人工血管。传统的组织工程血管支架制备技术在调节支架的孔径、几何形态和互连性方面上存在不足。3D生物打印技术能够模拟血管组织的天然结构，精确打印活细胞和生物材料，在纳米尺度上对支架的微观结构和孔隙率进行调控，为研发新型的组织工程血管提供了新思路。本文系统评价了3D生物打印技术的分类特点，并深入探讨了3D生物打印技术在组织工程血管领域的最新研究进展，分析总结了其优点，同时指出此技术还存在较多问题需要解决，如血管材料的免疫排斥等，为其进一步的研究提供参考和借鉴。

 基于3D打印模型辅助后柱螺钉内固定

     用于髋臼骨折的可行性和安全性

王争刚

陕西省核工业二一五医院

亮点：

目的 探讨基于3D打印模型辅助后柱螺钉内固定用于髋臼骨折的可行性和安全性。

方法 选取2020年1月至2021年6月本院收治的80例髋臼骨折患者为研究对象，依据入院编号奇偶性将其分为对照组和观察组，每组40例。对照组行腹直肌旁入路切开复位螺钉内固定术，观察组行基于3D打印模型辅助后柱螺钉内固定。比较两组的治疗效果。

结果 术后6个月，观察组的Fugl-Meyer运动功能评定量表(FMA)、Harris髋关节功能评分(HHS)、日常生活活动能力量表(ADL)评分显著高于对照组，差异具有统计学意义(P<0.05)。观察组的并发症总发生率显著低于对照组，差异具有统计学意义(P<0.05)。观察组的手术时长、住院时间及骨愈合时间显著短于对照组，术中失血量显著少于对照组，差异具有统计学意义(P<0.05)。术后2 d，观察组的CD4+、CD4+/CD8+、白细胞介素-10(IL-10)水平显著高于对照组，CD8+、白细胞介素-6(IL-6)水平显著低于对照组，差异具有统计学意义(P<0.05)。观察组的远期恢复优良率显著高于对照组，差异具有统计学意义(P<0.05)。

结论 基于3D打印模型辅助后柱螺钉内固定可显著提升髋臼骨折治疗效果，促进患者髋臼功能恢复，具有重要的临床应用价值。

 3D打印可定制热塑性聚氨酯/聚已内酯

     共混物食管支架的生物力学性能

韦归鸿1武贵林2曾帅2黄圣华1张麒麟3冯军3曾博4于鹏1

1. 广西大学土木建筑工程学院工程力学科学研究中心2. 中国人民解放军联勤保障部队第923医院麻醉科3. 广西南宁锐锋医疗器械有限公司4. 中山大学附属第一医院胸外科

亮点：

食管支架在食管疾病的临床治疗中有广泛的应用。但商业食管支架尺寸固定，无法根据患者食管的几何形状进行个性化定制。通过熔融共混结合3D打印技术的方式制备了一种热塑性聚氨酯（TPU）/聚己内酯（PCL）共混物食管支架，并基于对TPU/PCL组分比例的调节，实现了对支架力学性能的调控。通过差示扫描量热、热重分析、力学试验、体外降解试验和细胞毒性检测研究了TPU/PCL共混物的理化特性及支架的各项关键指标。结果表明，TPU/PCL共混物具有良好的材料相容性和力学性能，且细胞活性为72.9%，对细胞无潜在毒性。经过为期8周的体外降解试验，支架的重量损失均小于2%，且力学性能无明显变化。3D打印TPU/PCL共混物支架优越的力学和生物学性能证明了其在食管狭窄的临床个性化治疗中具有潜在应用前景。

 模块化截骨、角度测量装置的研制

     及在股骨颈基底部旋转截骨术中的初步应用

洪泽鑫、陈亮、陈景杨、陈诚霖、刘卓华、马晨昊、杨邵旭、吴宇峰

广州中医药大学附属中山中医院骨三科

亮点：

目的 探讨3D打印截骨导向座、股骨头旋转角度测量器辅助行股骨颈基底部旋转截骨术在临床上的应用效果。

方法 自2019年6月至2022年6月，共有3例患者纳入研究，均为男性，右侧1例，左侧2例，年龄分别为48岁、31岁、41岁。术前计算患者股骨颈旋转轴线及股骨头坏死区域旋转角度等参数，结合逆向工程原理设计外科脱位及股骨颈基底部截骨导向座，并利用3D打印技术制作出截骨导向座。术中使用该导向座进行截骨，后借助自主研发股骨头旋转角度测量器精确旋转股骨头坏死区域。记录手术术中出血量、手术时长及术后并发症，术前、术后末次随访采用Harris髋关节评分对患侧髋关节进行功能评价。

结果 3例患者均获随访，术后随访时间分别为24个月、20个月、35个月。术中出血量均为300 mL,手术时长分别为130 min、180 min、205 min。术前Harris评分为83分、74分、78分，末次随访Harris评分为94分、86分、83分。术后X线片示旋转程度及固定位置良好，均未见并发症发生。

结论 3D打印截骨导向座联合旋转角度测量器有利于传统手术向可量化的、标准化的精确操作演化，为术者术中快速定位及精准截骨矫形提供了一种行之有效的新方法。

 3D生物打印技术

     在耳廓修复重建中的应用研究进展

1.陈小雷1胡浩磊2李谊2岳玮2张秀静3沈德新2麻文来2邢培梅2张亚戈2关泰红2

新乡医学院2. 中国人民解放军联勤保障部队第九八八医院耳鼻咽喉科3. 中国人民解放军总医院京南医疗区复兴路门诊部

亮点：

目的 对3D生物打印技术在耳廓修复重建方面的应用研究进展作一综述。

方法 广泛查阅近年来国内外3D打印与耳廓修复重建相关研究文献，对3D生物打印技术概念及其在耳廓修复重建中的应用研究进展进行总结。

结果 耳廓具有复杂解剖结构和功能，需要精确组织重建和形态复制，因此3D打印技术在耳廓修复重建方面具有巨大应用潜力。与传统3D打印技术相比，3D生物打印技术不仅能模拟耳廓外形结构，还能将细胞与材料混合，在支架成型过程中实现细胞在支架内部的精准分布，模拟天然组织组成及结构，更有利于构建具有生物活性功能的耳廓组织，从而提高修复效果。

结论 3D生物打印技术可以重建耳廓组织，能避免传统自体软骨移植相关并发症，寻找既符合耳廓组织机械性要求，又符合生物要求的生物墨水是目前研究的主要挑战。

 基于低温沉积3D打印技术

     构建新型组织工程半月板支架的研究

陈明学1吴江1,2殷瀚2眭翔2刘舒云2郭全义1,2

1.首都医科大学附属北京积水潭医院矫形骨科2. 中国人民解放军总医院第一医学中心骨科研究所骨科再生医学北京市重点实验室全军骨科战创伤重点实验室

亮点：

目的 基于低温沉积3D打印技术构建新型组织工程半月板支架，评价该支架理化性质及生物相容性。

方法 取新鲜猪膝关节半月板，采用改良物理化学联合方法脱细胞处理，获得脱细胞半月板基质匀浆；经大体观察、HE及DAPI染色观察脱细胞效果，甲苯胺蓝、番红O及天狼猩红染色评估黏多糖和胶原保留情况。然后制备脱细胞半月板基质生物墨水，通过低温沉积3D打印技术制备新型组织工程半月板支架。扫描电镜观察微观结构；与脂肪MSCs共培养后，采用细胞计数试剂盒8(cell counting kit 8,CCK-8)观测支架细胞相容性，死/活细胞染色和细胞骨架染色观察细胞活性和形态；植入大鼠皮下实验后组织学染色评估支架炎症细胞浸润与降解情况。

结果 脱细胞后半月板基质匀浆呈透明凝胶状，DAPI和组织学染色示有效去除免疫原性的核酸，同时黏多糖及胶原有效成分保留。采用低温沉积3D打印技术成功构建新型组织工程半月板支架，扫描电镜示支架呈分级大孔-微孔的微观结构；CCK-8检测示支架具有良好细胞相容性；死/活细胞染色示支架可有效维持细胞活性（>90%）；细胞骨架染色示支架有利于细胞黏附和铺展；支架植入大鼠皮下1周后有轻度炎症反应，3周后未见明显炎症反应，并可见支架逐步降解。

结论 基于低温沉积3D打印技术构建的新型组织工程半月板支架具有分级大孔-微孔的微观结构和良好细胞相容性，有利于细胞黏附和生长，为下一步组织工程半月板支架的体内研究奠定基础。

 3D打印技术辅助微导管塑形

     在前交通动脉瘤栓塞治疗中的应用

范志祥、崔艳峰、徐浩、高志康、张庆真、应廷嵩、吴子臣

徐州医科大学附属医院介入放射科

亮点：

目的 探讨3D打印技术在前交通动脉瘤栓塞治疗中的应用价值。

方法 选取就诊于我院经脑动脉造影确诊前交通动脉瘤患者40例，随机分为两组，观察组与对照组各20例。其中对照组术者术中正常造影后凭借手术经验直接塑形微导管。观察组则通过处理后的3D-DSA造影数据，制作前交通动脉瘤模型，在术前辅助微导管塑形。比较两组微导管首次塑形成功率、微导管末次塑形后进入指引导管至到达理想释放弹簧圈位置的时间、术后即时评分情况、术后至出院的恢复时间、术后6个月随访阴性率。

结果 观察组患者术中微导管首次塑形成功率75%(15/20)，微导管末次塑形后通过指引导管至到达理想释放弹簧圈位置时间（49.35±9.49）s，术后即时评分4分（4,4），术后至出院的恢复时间（3.25±1.02）天。对照组患者术中微导管首次塑形成功率40%(8/20)，微导管末次塑形后通过指引导管至到达理想释放弹簧圈位置时间（79.85±17.47）s，术后即时评分3分（3,4），术后至出院的恢复时间（4.15±1.27）天。两组比较，差异有统计学意义（P<0.05）。而观察组患者术后6个月随访阴性率为95%，对照组患者术后6个月随访阴性率为90%，差异无统计学意义（P>0.05）。

结论 相较于传统微导管塑形方式，3D打印技术的应用，可使术中微导管首次塑形成功率提高、缩短手术操作时间及术后恢复时间、显著提高塑形微导管的精确度与稳定性及治疗效果。

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如今，基于粉末床熔融工艺的钛合金增材制造技术在骨科植入物制造领域已走向了商业化阶段，无论是国际市场还是中国市场中都出现了多家获得审批上市钛合金增材制造骨科植入物产品，典型的产品包括脊椎融合器、髋臼杯。

除了钛合金材料，镁合金材料的骨科植入物应用（如螺钉或骨板）也是一个受到关注的领域，主要是因为镁合金是制造生物可吸收植入物的一种理想材料。但是，由于镁合金的高亲氧性、自燃风险等特性，使得基于粉末床熔融的镁合金增材制造充满挑战。研究人员正在开发新的合金设计、加工技术、粉末处理方法和增材制造策略，以实现镁合金在植入物增材制造中的有效应用。除了这些探索方向，熔融颗粒制造（FGF）、粘结剂喷射（BJ）这类3D打印与烧结相结合的间接增材制造技术，是镁合金增材制造的另一个研究方向。与基于粉末床熔融的增材制造技术相比，基于粘合剂烧结的增材制造技术能够生产中空甚至复杂的闭孔结构，且不需要脱粉，并且粘结剂可以保护镁粉不与空气接触，安全问题大大减轻。此外，烧结过程会产生均匀的微观结构，有利于材料的各向同性和均匀降解。

本期谷.专栏分享的即是一项围绕粘结剂熔融颗粒制造(FGF)的增材制造-3D打印技术制备Mg-6.3Gd镁合金骨支架结构的研究。相关文章以”Comparison between compression tested and simulated Mg-6.3Gd bone scaffolds produced by binder based additive manufacturing technique” 为题，发表在《Journal of Magnesium and Alloys》期刊。

© 白皮书

▲ 论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956723001652

 研究背景

增材制造技术（additive manufacturing, AM）能够低成本、高效益地制造几何外形复杂的植入材料及器械，在生物医用领域内得到了快速发展和广泛应用。然而，对于可降解镁材料，传统的增材制造技术主要面临以下问题：（1）镁与氧高的亲和力，容易使其粉末颗粒在放热过程自发形成氧化层，氧化层作为颗粒之间的脆性连接很容易被破坏，导致力学性能的恶化；（2）未钝化的镁粉容易自燃，其加工和处理非常困难且危险；（3）镁的高蒸汽压特性所引发的烟雾会对激光束产生影响，增加了增材制造（类似激光粉末床融合）的技术难度。一般来说，除了基于粉末完全熔化的技术特点之外，烧结用于多种粉末固结技术，如金属注射成型（MIM）、熔融长丝制造（FFF）、熔融颗粒制造（FGF）、粘结剂喷射（BJ）等。与镁粉的熔化技术相比，基于粘合剂烧结的增材制造技术能够生产中空甚至复杂的闭孔结构，且不需要脱粉，并且粘结剂可以保护镁粉不与空气接触，安全问题大大减轻。此外，烧结过程会产生非常均匀的微观结构，有利于材料的各向同性和均匀降解。
最近，Helmholtz-Zentrum Hereon的Mohammad Marvi-Mashhadi教授和Regine Willumeit-Römer教授课题组基于粘结剂的3D打印方法，即熔融颗粒制造（FGF）技术，制备出形状复杂、开放多孔的Mg-6.3Gd骨支架。该支架具有良好的强度（51 MPa）和40%以上的开孔率。采用压缩测试获得的金属注射成型技术（MIM）所制备的参考材料数据，进行Abaqus/Explicit数值模拟建模，然后将3D打印骨支架材料的压缩测试性能与模拟结果进行比较，以验证建模策略的合理性。该模拟模型有望成为植入物全生命周期的数字孪生的组成部分，为特殊力学需求的植入材料发展提供支持。

 图文导读

文章首先通过熔融颗粒制造的3D打印技术制备出Mg-6.3Gd骨支架样品（图1a），发现烧结后的试样获得了足够的收缩率（图1b），其微观结构的残余孔隙发生了闭合（图1c）。其中样品最大致密化的烧结时间为32h，接近理论最大值。致密化后的最大收缩率为20.2%、最小封闭残余孔隙率为2.4%、支架结构的开放孔隙率为40.6%。光镜图像中可以看到烧结骨支架的内部截面结构（图1b），特别是用红色箭头标记的打印孔洞，在烧结之后仍然可以保留。根据图2的x射线表征，支架中的对角通道中可见明亮的光亮（黄色箭头），说明烧结状态下所打印出的孔隙仍然是相互连接。此外，如图1c所示（见右上角和黄色箭头的放大区域），烧结后支架基体的微观结构中，存在典型显微闭孔结构。由于微观结构中的孔隙度（致密性）对材料的降解性能会产生负面影响，其含量应严格控制且应保持封闭从而减少过快的降解；而宏观的打印孔洞则可以提升细胞粘附性能，是骨支架材料的重要需求。因此，该研究的制备技术在骨支架中实现了较为理想的微观和宏观结构设计。

图1 FGF技术制备的Mg-6.3Gd支架试样（左侧为3D打印样品，右侧为烧结后的样品）；（b）Mg-6.3Gd支架试样的光学显微镜图像。（c）Mg-6.3Gd支架试样的扫描电镜图像

图2 支架整体形貌（左）、x射线图像（中）和背光照片（右）中的通孔结构

在Mg-6.3Gd骨支架样品的制备基础上，研究工作继续对烧结支架进行了压缩试验测试，结果如图3所示。从应力-应变曲线结果可知，尽管短烧结时间8h和长烧结时间32 h后样品的收缩率和残余孔隙率存在较小差异，但支架压缩时的力学行为并没有显著区别，使用中等烧时间16h时的结果也同样类似。该支架的最大抗压强度略低于51 MPa（位置B），然而，作者发现在第一个峰值（位置B）之前，应力-应变曲线存在两个阶段，类似于织构材料中典型的S形孪生曲线。但由于Mg-6.3G支架制备过程的烧结温度略高于固相温度，已接近液相温度，烧结后试样的冷却速度较慢，不会存在组织的各向异性和残余应力。为了揭示图3左图（烧结8h）中支架在A-F应变位置的宏观形态状况，研究工作对支架的压缩试验全过程进行了图像采集。通过图4中第一阶段A位置的支架形态，作者发现前期变形阶段的力学特性源于试样上下底板未完全平行。当试样进入第二阶段时，压缩曲线在25~30 MPa左右趋于平缓。当达到最大塑性变形后，支架结构中的一层支柱发生垮塌，荷载降至40~45 MPa（位置C），之后支架持续坍塌至失效。

图3 Mg-6.3Gd支架材料在638 ℃烧结8h（左）和32h（右）的压缩试验结果

图4 Mg-6.3Gd支架材料（638 ℃烧结8h）的压缩试验过程，其中图a-f的支架形态分别对应图3中的阶段数据。

在压缩试验的基础上，研究对应变10%以下的变形过程进行了数值模拟。预测结果表明，有限元模拟与支架初始力学行为相吻合，相近区域高达5%的应变内（图5）。证实该打印技术能够根据模拟模型，对几何形状复杂的支架进行性能的订制。此外，通过变形支架的Mises等效应力场分布（图6a），可观察到支架交联处的应力集中情况。在此变形阶段，通过等效塑性应变场（图6b）几乎观察不到该支架材料的塑性变形痕迹。值得注意的是，目前的应力-应变曲线模拟结果中，没有捕捉到5%应变后载荷的下降情况。这说明模拟过程中需引入局部损伤和断裂模型，尤其是交点处的高应力集中引发裂缝形成所导致支架的逐渐坍塌。

图5压缩试验过程中Mg-6.3Gd支架的应力-应变曲线（蓝色）和数值模拟（橙色）

图6 10%压缩应变下Mg-6.3Gd变形支架的（a）Mises等效应力场和（b）等效塑性应变场

 结论与展望

综上所述，本研究围绕粘结剂熔融颗粒制造(FGF)的3D打印技术，制备出形状复杂的Mg-6.3Gd合金骨支架结构，证明以上手段对于医用镁金属植入材料及器械的制备具有普遍的适用性。该3D打印骨支架具有良好的强度和刚度，存在40%的孔隙率，并具备宏观结构上的打印通孔和微观结构上的烧结闭孔，其结构特性将有利于骨组织的修复和降解性能的维持。在10%的压缩应变范围内，应力较先集中在支架连接点的相交处，材料几乎不发生塑性变形，其整体应变的协调来源于弹性应变和宏观结构改变。此类研究在未来的发展将朝向更为精细的复杂几何形状，研究支架打印和烧结过程中的溶质原子、析出相等组织结构特征，通过实验和模拟相结合的方式，去进一步探索材料的生物降解性能。

来源：JMACCMg

论文引用信息：
Martin Wolff*, Mohammad Marvi-Mashhadi, Eshwara Nidadavolu, Henrik Lüneburg, Thomas Ebel, Regine Willumeit-Römer. Comparison between compression tested and simulated Mg-6.3Gd bone scaffolds produced by binder based additive manufacturing technique [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2023, 11(8): 2750-2762.

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© 赢创

 3D打印用于椎体间植入物的制造

自植入级PEEK长丝VESTAKEEP® i4 3DF上市以来，赢创就与多家医疗器械制造企业一起推动这一材料在骨科植入领域的应用。得益于大博医疗的创新和产品开发能力，采用该材料3D打印的椎间融合器在力学性能和生物学性能上都不输于传统技术制造的融合器，同时又具有3D打印产品的优势，可实现多孔结构或表面拓扑结构，由此降低手术复杂程度，减轻患者痛苦。

大博医疗基础研究院院长曾达博士表示：“此次药监局批准上市的增材制造聚醚醚酮椎间融合器适用于颈椎（C2-C7）和胸腰椎（T1-L5）的融合固定，是世界先进、国内首创利用FDM技术制造的可承重椎间融合器。FDM 3D打印技术赋予产品更大的设计自由度。产品开发人员可以抛开传统制造方式的种种约束，完完全全只考虑患者的需求。这将有助于实现真正的定制化治疗，100%贴合患者需求。同时，采用3D打印还可以缩短植入物的制造周期，灵活性更高，可以根据实际情况的变化迅速做出调整。大博医疗对中国未来3D打印技术全球领先充满信心。”

 医疗3D打印PEEK长丝生物材料

根据赢创公司的消息，赢创专为增材制造工艺而设计的VESTAKEEP® i4 3DF为长丝形式，符合ASTM F2026和YY/T 0660的标准。VESTAKEEP® i4 3DF是全球首款符合这一标准的可用于3D打印的植入级PEEK长丝。

赢创增材制造与材料解决方案亚太区市场负责人洪福潮说：“赢创的即用型植入级PEEK长丝有助于提升FDM 3D打印技术在医疗器械领域的应用潜力。我们很高兴能与大博医疗这样领先的医疗科技公司合作，不断尝试创新，引领发展之路。VESTAKEEP® i4 3DF PEEK长丝生物材料能够实现最大的生物相容性、生物稳定性和X射线可透性，是用于骨科和颌面外科的绝佳材料。”

赢创是全球领先的高性能聚合物制造商。在3D打印领域，相关产品已累积了20余年的应用经验。除了上述牌号，赢创还提供骨结合PEEK长丝 （VESTAKEEP® iC4800 3DF）和碳纤维增强型PEEK长丝（VESTAKEEP® iC4612 3DF和VESTAKEEP® iC4620 3DF），在符合骨科植入级材料要求的同时扩展材料性能和应用场景。

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 基本信息

场景类型：医疗植入物定制
场景项目名称：增材制造医用钛合金骨科植入物的定制生产
装备制造商：天津清研智束科技有限公司
应用单位：沈阳市骨科医院

 需求痛点

人主承重部位骨骼(如脊柱、髋关节、骨盆等)严重缺损，会给患者造成严重功能障碍，甚至威胁患者生命。既往重建方式多采用传统制造工艺，经常出现假体与解剖形态不匹配，无法和宿主骨有效整合;假体制作不及时、准确性差，延误患者治疗。增材制造的出现与发展给解决以上问题带来希望，尤其是将其用在金属植入假体制造上，其可提供准确、高效、个性化治疗解决方案。
我国2021年骨科植入物市场约为355亿元，跨国企业一方面通过不断收购国内企业实现了垄断经营;另一方面通过其技术优势获得产品定价权，不断抬高产品价格，获取巨额利润，也直接推升了人民群众不断增长的医疗费用，国内为数不多的国产产品以仿制为主，缺少创新，工艺质量落后，生存艰难。

 解决方案

由于增材制造工艺的特点与人体骨骼的高度特异性和复杂性相契合，借助成熟的影像学技术与三维重建等技术可以达成个性化植入假体的设计与制造，世界范围内，增材制造个性化植入假体的应用场景发展迅猛。

在临床应用方面，由于我国庞大的基础人口以及存在大量疑难复杂的疾病人群，近五年内，国内多家医疗机构陆续完成了世界首创的人工枢椎、半骨盆、全骶骨、肩肘关节、腕关节等部位的个性化植入假体设计和植入。但由于设备、原材料、设计、工艺、法律法规等诸多限制，开始批量化应用的案例主要集中于髋臼杯移植体。在髋臼杯骨科移植体的生产应用过程中，关键技术在于增材制造装备和工艺。国内在装备工艺研发方面，近年来快速追赶，在金属增材制造设备方面，无论是激光束还是电子束选区熔化装备均可实现国产化，在北京、西安等高校、研究机构和企业均有装机使用。尽管国产电子束选区熔化设备生产的个性化植入体临床案例个数仍比较有限，但对于国产化植入假体的应用进度来说是巨大的一步，脊柱椎体的重建和髋关节骨缺损在骨科临床非常常见，现有的重建和填充假体价格昂贵，使用复杂，长期结果较差。

增材制造制备的个性化植入假体将从根本上解决这一问题，假体设计更趋于合理，由于避免了进口设备的工艺参数封闭问题，骨科植入物的生产质量更加可控。同时通过标准化生产加工流程，降低生产成本，也可是假体费用更加便宜，减少患者支出，降低社会负担，获得满意的社会效益。

 应用成效推广

应用推广的主要产品为髋臼杯假体。髋臼杯是当前国际和国内医疗领域最成功的电子束选区熔化技术应用场景，基于电子束选区熔化工艺特点，将髋臼杯的表面涂层设计为无序多孔结构，由于无序点阵结构与人体骨小梁结构类似，可大幅降低接触面的弹性模量，减弱了髋骨的骨吸收，增加了假体与涂层的力学适配性;同时，髋臼杯内部密布凹孔，有利于髋白杯装配及骨细胞长入，增强组织适配性，可以减小手术过程中的创伤面，提高愈后速率，具有显著的临床价值。天津清研智束科技有限公司设计的个性化植入假体，避免了进口设备的工艺参数保密问题，使骨科植入物的生产质量更加可控。同时通过标准化生产加工流程，降低生产成本，也可使假体费用更加便宜，减少患者支出，降低社会负担，获得满意的社会效益。

l来源：中国增材制造产业联盟

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