生物材料在3D打印中的应用

3D打印正由工业化用途越来越趋向于民用化用途。对于耗材，人们要求它更环保，更健康，而生物材料恰恰可以满足这种需要。生物材料正火热地应用于3D打印，而且不同的3D打印工艺，对生物材料的选择也有所不同。我们一起看一下如何为熔融沉积成型（FDM）、光固化立体成型（SLA）、选择性激光烧结（SLS）以及层片叠加成型（LOM）等3D打印加工工艺选择适宜的生物材料。

生物材料品种很多，其分类方法也很多。生物材料包括金属材料（如碱金属及其合金等）、无机材料（生物活性陶瓷，羟基磷灰石等）和有机材料三大类。有机材料中主要是高分子集合物材料，高分子材料通常按材料属性分为合成高分子材料（聚氨酯、聚酯、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸乙醇酸共聚物及其他医用合成塑料和橡胶等）、天然高分子材料（如胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖等）。

不同生物材料各有千秋
聚乳酸（PLA）是FDM使用最常规并且用量最大的耗材，具有优良的力学性能、加工成型性、透明性、尺寸稳定性、可降解性和生物相容性。但是纯PLA韧性较差、脆性高，成型制品易碎裂，不耐热。目前有大量的研究人员在进行PLA改性的研究，PLA基材的3D打印耗材历久弥新。

聚乙烯醇（PVA）是一种生物降解的合成聚合物，其最大的特点就是它的水溶性。它通常在3D打印过程中作为支撑材料使用，在打印过程结束后，支撑部分能在水中完全溶解。有效解决了打印悬空问题，同时又避免了后处理的麻烦，与PLA耗材堪称完美配合。

易生研发人员通过以低聚物乳酸多元醇、异氰酸酯等为主要原料，经平行双螺杆挤出机合成不同硬段含量不同分子量的生物可降解TPU，也成为近年来热门的3D打印耗材。

该生物可降解TPU具有高伸长、高强度、低回弹、透明度高、生物降解性好等特点，并且生物基聚乳酸多元醇的含量越高，其降解速率越快；生物基聚乳酸多元醇分子量（1000-4000）越大，其降解速率越快。此产品用来做PLA的增韧剂具有优异的增韧效果。同时，也可单独制作成3D打印耗材。

生物基TPU-3D打印耗材打印样品。
金属材料及无机材料则一般用于SLS中，利用粉末状材料在激光照射下烧结，在电脑控制下按照介面轮廓信息进行有选择的烧结，层层堆积。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行烧结的工艺还在研究之中。

聚己内酯（PCL）具有超低的玻璃化温度Tg（约-60℃），因此在室温下呈橡胶态。熔点59-64℃，具有低温热塑性。在3D打印中，由于它熔点低，所以并不需要很高的打印温度，从而达到节能的目的。

同时，由于聚己内酯的熔点低，它可以有效让人员在操作时避免烫伤，并越来越多地应用于3D打印笔。另外，因为其具有形状记忆的特性，它使得打印出来的东西具有“记忆”，在特定条件下可以使其恢复到原先设定的形状。在医学领域，可用来打印心脏支架等。

此外，生物基光敏树脂也常应用于光固化快速成型中。它主要是一类由低聚物、单体、光引发剂、助剂混配制成的树脂。它能在较短时间内迅速发生物理和化学变化，进而实现交联固化。其优点在于成型精度极高、品质好；成型物体表面光滑且成型速度快。

3D打印与传统工艺互补
在传统制造业领域，工艺已经发展成熟，新时代的个性定制的需求也越来越明确，传统工艺已经非常难以满足新时代发展的需要，3D打印作为新的制造成型理念，同传统行业形成了很好的互补，在有些特殊领域，如医学领域，3D打印更能发挥它的定制优势。对于开发者来说，3D打印可以让其头脑中天马行空的想法成为现实。

编辑：南极熊
作者：董成良 杨义浒（深圳光华伟业股份有限公司 ）