增材制造是一种先进的制造方法，通过逐层叠加的方式构建物体，正在改变许多行业的发展轨迹。近年来，增材制造技术在生物材料领域得到了广泛关注和研究。生物材料是指一类具有生物相容性、可生物降解或生物调节功能的材料。在生物医学、生物工程、生物制药等领域的增材制造技术在近年来逐渐显现出巨大的潜力，本文介绍了增材制造生物材料技术的研究进展，包括生物材料体系、打印工艺、性能评估及应用等方面，并对未来发展进行了展望，旨在为生物材料领域的进一步研究和发展提供参考。

1. 引言

     增材制造技术作为一种新型制造方法，具有定制化、高效、节约资源等优势。通过增材制造技术，可以实现对生物材料的快速、精确制备，为生物医学领域提供了新的技术手段。

2. 生物材料体系

      2.1 生物相容性材料

       生物相容性材料是指一类与生物组织具有良好的相容性的材料。在生物医学领域，生物相容性材料广泛应用于人工器官、医疗器械、组织工程等。常用的生物相容性材料有聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）、生物玻璃等，这类材料在与人体接触时，能最大限度地减少不良反应，提高人体的耐受性。目前，科学家们正致力于研究如何通过增材制造技术提高材料的生物相容性，在增材制造技术的帮助下实现对这些生物相容性材料的快速制备，为生物医学应用提供支持。

      2.2 生物活性材料

      生物活性材料指一类能与生物组织发生生物反应或促进生物组织生长的材料。生物活性材料在生物医学领域具有广泛应用，如骨修复材料、人工关节等。常用的生物活性材料有羟基磷灰石（HA）、生物玻璃、生物陶瓷等。通过模仿人体组织的结构和功能，功能仿生生物活性材料可以模拟人体器官、骨骼等组织的生理特性。增材制造技术的精细化制造能力使得仿生材料的研发和应用成为可能，实现对这些生物活性材料的精准制备，提高其生物性能。

       新材料的研发：随着科研人员对增材制造技术的深入研究和创新，我们将看到更多新型生物材料的研发和应用。这些新材料将具有更高的生物相容性、更强的功能性和更好的可降解性。

3. 生物材料打印工艺

       3.1 光固化工艺

       光固化工艺是增材制造生物材料的主要方法之一。该工艺采用光敏剂和紫外光源，使生物材料在特定条件下固化。光固化工艺具有精度高、速度快、可实现复杂结构制备等优点。

       3.2 熔融沉积成型工艺

       熔融沉积成型工艺是将生物材料加热至熔点，通过熔融沉积的方式构建物体。常用的熔融沉积生物材料有聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）等。熔融沉积成型工艺具有制备成本低、可实现大型零件制备等优点。

       3.3 粉末熔融成型工艺

       粉末熔融成型工艺是将生物材料粉末与熔融载体混合，通过层析的方式构建物体。常用的粉末熔融生物材料有生物玻璃、羟基磷灰石（HA）等。粉末熔融成型工艺具有制备精度高、可实现多材料复合等优点。

4. 性能评估指标

       4.1 生物相容性

      生物相容性是评价生物材料的重要指标。增材制造生物材料具有良好的生物相容性，可降低生物排斥反应的风险。实际应用中主要通过实验和临床验证，评估增材制造生物材料的生物相容性优劣。

      4.2 力学性能

      力学性能是生物材料应用的关键指标。增材制造生物材料具有较高的力学性能，可满足不同应用场景的需求。通过拉伸、压缩、弯曲等试验，评估增材制造生物材料的力学性能。

      4.3 功能性

      针对不同应用场景，增材制造生物材料应具备一定的功能性。如骨修复材料应具备良好的骨传导性、骨诱导性等。通过体外和体内实验，评估增材制造生物材料的功能性。

5. 应用领域

      增材制造生物材料在以下领域具有广泛的应用前景：

      5.1 生物医疗

      生物医学领域对生物材料的需求巨大。在生物医学领域，增材制造技术主要应用于定制人工关节、骨骼修复、牙科修复等。通过计算机辅助设计（CAD）和计算机断层扫描（CT）等技术，实现对患者病变部位的精准建模，然后利用增材制造技术制作出个性化的人工关节、骨骼、医疗器械、组织工程等，实现对损伤组织部位的修复和再生，实现对患者病变部位的个性化修复。例如，利用增材制造技术制备的人工心脏瓣膜、人工血管等。其他还有如心脏支架、人工关节、皮肤修复等。

     5.2生物药领域

      在生物医药领域，增材制造技术主要应用于药物递送系统、生物制品制备等，为药物递送系统和生物制品制备提供了新的方法，通过高效、精确的制备过程，提高药物的生物利用度和疗效。通过微流控技术、液滴微流控技术等，实现对生物制品的高效制备和精准控制。

      近日厦门大学陈鹭剑教授与胡学佳助理教授提出一种新型的主动药物递送机制，团队在声学与微结构相互作用机理研究基础上，提出利用PZT在微针针尖诱导涡流，产生微泵效应，并通过贴片的集成设计，实现智能的按需药物释放。相关研究以题为：“On-demand transdermal drug delivery platform based on wearable acoustic microneedle array ”发表在《Chemical Engineering Journal》期刊上。

      该研究提出的智能的声响应药物释放微针如图1所示，该可穿戴器件包括一个PZT驱动电路，PZT贴片和空心微针，并通过蓝牙与手机交互，通过预先设定程序或者实时调控，能够控制PZT产生声波信号，并驱动特殊设计的针尖尖端产生高频振动。这种振动在针尖产生了能量耗散并制造涡流效应，其能够将针内药物主动向外泵送。而通过程序控制的声波信号强度与持续时间调制，能够实现较为精准的药物递送。其中如图2所示，该空心微针使用了摩方精密公司的nanoArch®S130高精度3D打印机制造，该阵列由10×10个微针单元组成，每个单元高1000微米。SEM图表明，打印的器件具有较高的精度，保证了针尖的锐度以及均一性（图2a），从而针尖可在声学驱动下产生较强涡流效应。此外，对该打印的微针的性能测试也表明，该光敏树脂材料具有较高的强度，从而保证良好的刺入性能，且能避免体内折断风险。

图1.声学响应智能微针示意图。

图2. 3D打印的空心微针阵列。（a）微针阵列SEM图。（b）微针力学性能测试示意图。（c-d）微针单个针尖力学测试数据，及对应微针形变图。

5.3 生物工程

       生物工程领域对生物材料也具有广泛的应用。如细胞培养支架、组织工程支架等。

6. 挑战与发展趋势

       6.1增材制造生物材料技术的挑战

       在生物材料领域，增材制造技术的应用管取得了显著的进步，但该领域仍面临着许多挑战。

       生物相容性：在生物材料中，生物相容性是一个至关重要的特性。它决定了材料在人体内的反应和耐受程度。然而，目前许多增材制造的生物材料在生物相容性方面表现不佳，需要进一步改进。

       制造精度和稳定性：增材制造技术虽然在许多领域已经取得了显著的进步，但在生物材料领域，其制造精度和稳定性仍然存在一定的限制。对于某些复杂的三维结构，增材制造技术可能难以实现精确复制。

       材料多样性：虽然增材制造技术可以制造出各种类型的材料，但生物材料领域的多样性需求仍然是一个挑战。尤其是在组织工程中，我们需要能够制造出与人体自然材料相似的生物材料。

       法规和伦理问题：随着增材制造技术的发展，如何制定相应的法规和伦理规范以确保技术的安全和合理使用成为了一个日益重要的问题。

       6.2 增材制造生物材料技术的发现趋势

       尽管面临诸多挑战，但增材制造生物材料技术也在不断发展和进步。以下是一些可能的发现趋势：

       创新材料：科研人员正在努力开发新的生物材料，以满足更高的生物相容性和功能性需求。例如，研究者们正在研究如何利用增材制造技术制造出能够模拟人体组织的生物材料。

       提高制造精度和稳定性：随着科研人员对增材制造技术的深入研究和改进，我们可以期待在未来看到更高的制造精度和稳定性。这可能将使增材制造技术在组织工程等领域的应用更加广泛。

       跨学科合作：为了解决增材制造生物材料技术面临的挑战，跨学科的合作至关重要。生物学、医学、物理学、化学等多学科的交叉将有助于推动该领域的发展。

       智能化和自动化：随着人工智能和机器学习技术的发展，我们期待在未来看到增材制造过程更加智能化和自动化。这将有助于提高生产效率并降低成本，同时也可以确保产品质量的一致性。

       定制化医疗：增材制造技术的个性化制造能力为定制化医疗提供了巨大的潜力。未来，我们可能会看到根据个体需求定制的生物材料和医疗设备，这将大大提高治疗效果并降低副作用。

       伦理和法规的完善：随着技术的不断发展，如何确保增材制造生物材料技术的安全和合理使用将是我们必须面对的问题。未来，我们期待看到更加完善的伦理和法规框架来指导和管理这一领域的发展。

7. 总结与展望

       本文综述了增材制造生物材料技术的研究进展。从生物材料体系、打印工艺、性能评估和应用等方面进行了阐述。增材制造技术在生物材料领域具有巨大的潜力，为生物医学领域提供了新的制造方法，其在组织工程、药物输送、医疗设备等多个领域的广泛应用前景令人充满期待。通过科研人员的不懈努力和创新，我们有理由相信在未来将看到更多的突破和发展。但不容忽略的是其在实际应用中仍面临诸多挑战，如生物相容性、制造工艺、功能性等。随着科学技术的不断发展，增材制造生物材料技术将不断创新，为生物领域的发展贡献力量。