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第二届全国增材制造青年科学家论坛学习汇报生物3D打印及标准制定生物3D打印生物3D打印（Bio-3DP)是3D打印技术的一个分支，它是在3D打印技术在生物医学领域中的交叉应用。根据所成形材料的生物学性能，将生物制造技术分为四个层次的应用：个性化体外模型制造：材料为无需生物相容性的工程材料，个性化体外器官模型、假肢设计、用于手术规划等；个性化植入体制造：材料为具有优良生物相容性，不降解材料，如钛合金、聚氨酯等，人工假肢植入体、人工器官、整形等；可降解组织工程支架制造：材料为既具有优良生物相容性，又能被生物降解的材料，如胶原、聚乳酸等，各种组织工程支架，应用与组织再生与修复等；细胞三维结构体的人工构建：材料为活细胞及其外基质材料，如肝细胞-明胶、干细胞-纤维蛋白质等，构建三维细胞结构体，体外三维细胞模型及组织或器官胚体等。人工骨研究难题难题1、研制生物学与力学性能兼备的材料金属材料（钛合金、不锈钢等） 优点：优异的力学性能、可加工性 缺点：不可降解、需二次手术取出、易产生有害金属离子高分子材料（聚乳酸、聚乙醇酸、聚已内酯等） 优点：可降解性、高韧性、易于加工成型 缺点：细胞亲和性差、降解难控制、易引起炎症反应生物陶瓷材料（羟基磷灰石、磷酸钙等） 优点：骨的主要无机成分，良好的相容性、降解性和骨传导性 待解决难题：脆性高、强度低，使用可靠性和抗破坏能力差单一类型材料难以完全满足骨缺损再生修复要求人工骨研究难题难题2、构造人工骨向生命骨转化的微孔结构本质特征转化营养输送废物排出新陈代谢 人工骨 生命骨数百微米孔骨组织、血管长入数十微米孔营养交换、代谢产物排出表面纳米孔细胞粘附、迁移和增值现有工艺难以实现10nm-800μm跨尺度孔径的制备人工骨研究难题难题3、寻求合适的种子细胞及其稳定扩增方法组织修复重点：细胞稳定的生长、增殖和分化前体细胞：分化程度高、增殖能力有限干 细 胞：定向诱导分化为所需组织细胞人工骨研究难题11、生物陶瓷材料——脆性高、强度低纳米技术是解决陶瓷脆性的有效途径致密度——影响生物陶瓷力学性能的另一个重要因素低维纳米材料——进一步强韧化陶瓷人工骨巨大潜力优异的力学性能巨大的比表面积固有的生物相容性石墨烯氮化硼纳米管增强增韧陶瓷人工骨纳米组合结构/陶瓷人工骨难点： 石墨烯比表面积大、范德华力强，极易团聚引起缺陷+三明治结构二维片状石墨烯均匀分散强韧化一维管状BNNTs协同作用人工骨研究难题12、聚合物材料——降解难控制、细胞亲和性差生物相容性生物相容性优点优点可降解性可降解性生物陶瓷聚合物细胞亲和性加工性能优异脆性大、韧性低降解难控制缺点缺点难以加工细胞亲和性利用聚合物与生物陶瓷构建复合人工骨。解决单一类型材料的问题人工骨研究难题13、镁合金——新一代的革命性金属生物材料优点：可完全降解、避免二次手术良好的生物相容性，有利于新骨组织生长力学相容性，避免应力遮挡难题：体内耐腐蚀性能差，降解速度过快，导致机械强度差衰减过快，同时引起体内环境碱性升高快速凝固是挖掘金属材料潜在性能的重要手段快速熔化微观组织晶粒细化镁合金人工骨固溶扩大激光快速凝固宏观性能偏析减小人工骨研究难题2人工骨所需跨尺度微孔结构的构建生物3D打印技术的应用基于3D打印技术的组织工程支架西安交通大学采用TCP材料，积极开展基于光固化原型的支架人工活性骨支架的研究。首先进行微管道负型结构设计，再进行光固化快速成型制备负型树脂原型，然后填充生物材料，经过800℃去摸处理，最后生成可控微管道结构支教。生物3D打印技术的应用基于3D打印技术的体外构造具有生物活性的三维多细胞体系通过细胞打印或沉积，可以直接组装生物模型，如对肾脏、血管、皮肤和仿生组织等组织器官的生成。该技术不仅可以为干细胞和癌症等生命科学和基础医学研究领域提供新的研究工具，还可以打印人体组织器官，为构建和修复组织器官提供新的临床医学技术，推动外科修复整形等再生医学和移植医学的发展。生物3D打印技术的应用现状讨论1、欠缺CFDA认证和批准导致3D打印植入器械面临巨大的风险；缺乏行业标准和监管体系导致市场换乱；2、医疗3D打印产业化步履艰难，大部分停留在第一阶段，3D打印植入物目前还在临床使用阶段；3、3D打印改变了制造方式，但个性化植入器械在临床的必要性不确定，相关的风险与利益关系模糊；4、需要建立医用3D打印合作平台，使得科研院所、企业、医院具有良好的沟通渠道；增材制造标准化探究1、3D打印的标准化需求3D打印发展空间广阔，市场前景不容忽视。然而国内外3D打印技术产业化发展进程中仍存在不少挑战，如制造成本过高、标准限制、缺乏技术标准等。对我国而言，制定3D打印相关标准有双重意义：标准是技术创新和创新成果推广应用的有效途径；技术标准成为发达国家垄断和控制国际市场、保护和发展本国市场的最有效