生物基复合材料在3D打印中的现状与发展

来源： 中国复材

生物质基复合材料，或称生物复合材料，是由两种或两种以上不同材料复合制造而成，其中至少一种为生物质基材料。这些复合材料不仅结合了各自组分的特性，还展现出优于单一材料的综合性能，如改善的热学、电学、生物学和机械强度等。这一点在可持续发展和环境友好的材料开发领域尤为重要。
生物质基复合材料的开发主要来源于木材、农作物、农林废弃物、水生生物质（例如水生植物和海藻）、微生物等多样化的自然资源。通过物理、化学和生物技术的综合应用，科学家们能够制造出具有特殊性能的材料。这些材料不仅具有生物降解性，还能提供可持续性和环境友好性的优势，这在当前全球面临的环境挑战和资源限制的背景下尤为重要。

3D打印技术的引入为生物质基复合材料的应用开辟了新的可能性。这种技术使得复杂结构和定制化设计成为可能，进一步扩展了生物质基复合材料的应用范围。例如，在医疗、建筑、航空航天等领域，生物质基复合材料的3D打印应用正逐渐成为现实。
总的来说，以生物质基材料为基础的复合材料，不仅代表了材料科学的一个重要发展方向，更是响应了全球环境保护和可持续发展的时代诉求。结合3D打印等现代制造技术，生物质基复合材料的未来充满无限可能，将在众多领域发挥关键作用。

生物基材料在3D打印中的应用现状
打印技术，以其在成型技术上的多样性和灵活性，正在引领制造领域的一场革命。当前主流的3D打印技术包括熔融层积成型技术（FDM）、选区激光烧结技术（SLS）、立体平版印刷技术（SLA）、数字光处理成型技术（DLP）和Polyjet等。这些技术利用的原材料多种多样，如热塑性材料、金属、石膏、玻璃纤维、陶瓷粉末、光敏树脂等，满足了从简单构件到复杂机械部件的打印需求。

图 常用3D打印技术及其耗材

在生物医学领域，3D生物打印技术正展现其独特价值。主要技术包括喷墨法、挤出沉积法、光固化成型、激光辅助法等，使用的材料多为溶液、悬浮液、水凝胶和光敏树脂。这些技术能够通过喷墨、激光、声波和阀门控制等方式进行打印，并通过物理或化学交联、凝结或沉积等方式实现固化。其应用领域包括打印支架材料、血管、瓣膜、骨骼等，对生物医学领域的创新发展具有重要意义。生物质基复合材料的研发，结合了3D打印技术，为制造业带来了新的突破。生物质基材料，如木质纤维素，作为一种可再生资源，通过3D打印技术可以精确设计并快速制造结构复杂的材料。这种结合不仅体现了生物质基材料的可持续性和环保特性，也利用了3D打印在设计自由度和制造效率上的优势。因此，生物质基复合材料的3D打印技术已经在医疗器械制造、机械和模具制造、艺术品和服装设计等领域得到了快速应用。

表 生物基复合材料及其在3D打印中的应用场景

近年来，3D打印技术结合不同的生物质基材料，尤其是木质纤维素材料的研究进展显著。这些新型材料在增强生物降解性、改善环境足迹以及提高材料性能等方面展现出巨大潜力，为可持续发展和绿色制造提供了新的可能性。随着这些技术的不断发展和应用，我们可以期待在未来看到更多生物质基复合材料在各行各业中的创新应用。

生物基材料在3D打印中的前沿应用
1木质纤维素的前沿应用
木质纤维素材料，作为一种可持续、环境友好的绿色材料，日益受到重视。它们主要来源于木材、农作物和农林废弃物，并包括从这些生物质基材料中分离提取的组分，如纤维素、半纤维素和木质素。这些材料因其广泛的来源、可持续再生性、生物降解性、无毒无害性质以及良好的生物相容性，被广泛应用于诸多领域，如造纸、制药、化妆品、食品和化工等。

然而，木质纤维素材料在3D打印领域的应用面临挑战，主要是因为它们自身无法熔融或溶解于常规溶剂。这一局限性制约了木质纤维素材料在传统3D打印技术中的应用。为此，研发新型溶剂、对木质纤维素材料进行改性修饰，以及改造现有3D打印机以适应木质纤维素材料，成为了该领域的重要发展方向。
开发新型溶剂的目的是使木质纤维素材料能够在3D打印过程中被有效处理。此外，通过化学或物理方法对木质纤维素材料进行改性，可以增强其在3D打印中的加工性能。最后，改造现有的3D打印机，使其能够处理木质纤维素材料，也是实现这一目标的有效途径。
这些创新开发不仅拓宽了木质纤维素材料的应用范围，而且提高了其在3D打印领域的实用性。随着这些技术的持续发展和完善，预计未来木质纤维素材料将在3D打印领域发挥更大的作用，特别是在环保和可持续发展方面，它们将为多个行业提供新的材料解决方案。

图 木质纤维素3D纳米打印

2藻类生物质材料的3D打印
水生或海生生物质材料，在3D打印领域，尤其是3D生物打印技术中，扮演着至关重要的角色。这类材料的代表性原料包括海藻酸钠和琼脂糖，它们主要从海藻中提取。海藻酸钠是一种存在于褐藻细胞壁中的线性多糖，由古洛糖醛酸和甘露糖醛酸组成，带有负电荷。这种多糖因其出色的生物相容性和可生物降解性，以及与阳离子（例如钙离子）结合形成凝胶的能力，而在包括3D生物打印在内的生物医学领域得到了广泛应用。
海藻酸钠在3D生物打印中的应用体现在其水凝胶形式。基于海藻酸钠的生物油墨通常包含海藻酸钠水凝胶、细胞、功能肽和其他功能性聚合物。这些生物油墨可以通过调整海藻酸钠的分子量、固含量和打印参数来适应不同的3D打印技术。例如，基于挤出、喷墨和激光辅助的生物打印技术对生物油墨的流体力学性能有不同的要求。

海藻酸钠水凝胶的一个显著优点是其剪切稀化效应，这使得材料在打印过程中更易于处理，同时它的生物降解性能可以被有效控制。这些特性使得海藻酸钠水凝胶在3D生物打印领域具有广泛的应用前景。随着3D生物打印技术的不断发展和创新，基于海藻酸钠等水生或海生生物质材料的应用将在生物医学和其他相关领域发挥更加重要的作用。

图 常见的 藻类生物质材料的3D打印

市场现状
当前，3D生物打印技术已成为医学领域的重要分支，主要包括喷墨生物打印、挤压生物打印和激光辅助生物打印三大类。这项技术融合了多个学科的知识和技能，对再生医学领域的影响尤为显著。通过3D生物打印，已经实现了诸如器官、细胞、血管等多种医学构造的打印，这被认为是现代医学领域的一次技术革命。
根据SmartTech的报告，生物3D打印市场的前景十分广阔，预计到2028年，市场规模将达到12亿美元。这一预测反映出该领域的巨大潜力和发展机遇。然而，尽管市场潜力巨大，生物3D打印技术目前仍处于发展的早期阶段，面临着诸多挑战。
特别是在打印移植器官方面，虽然取得了一定的进展，但离实际临床应用仍有相当长的路要走。技术的精确度、可靠性以及与人体相容性等因素都是目前需要克服的重要挑战。随着科研的不断深入和技术的持续发展，生物3D打印有望在未来为医学领域带来更多突破和创新。
表 全球头部企业一览

1）Bico

2020年以来，Bico成功转型为一家专注于生物融合的公司，将其业务范围从生物打印拓展至更广泛的生命科学技术和工业解决方案。这一转型通过一系列的战略收购得到了显著加强，使Bico成为生物3D打印领域的领头羊之一。收购历程包括：2019年8月，Bico以3025万欧元收购Cytena，引入单细胞3D打印技术；2020年8月，以8000万欧元收购Scienion及其子公司Cellenion，加强细胞3D打印技术；2021年5月，以5000万欧元收购Nanoscribe，融入2PP技术，增加微纳级3D打印功能；2021年8月，以1500万美元收购Advanced BioMatrix，获取生物墨水和试剂产品；2021年12月，以1.65亿美元收购Biosero，掌握生物打印自动化技术。Bico之所以能展开这样的收购之旅，源于其强大的盈利能力和充足的现金流。据财报，Bico在2022年前三个季度的净销售额约1.5亿美元，同比增长112%。即便在经济不景气的环境下，Bico凭借其强劲的造血能力，为其收购行动提供了坚实的基础。

3D Systems，一家先驱于3D打印技术的公司，已成功生产超过200万个医疗设备系列组件和14万个特定于患者的手术病例。现在，该公司正寻求扩展其在生物打印领域的临床应用，调整和利用现有技术，以提高患者护理的质量。这包括从细胞生物可吸收装置到用于移植的功能化实体器官的多种临床应用。

2）3D Systems
近期，3D Systems成立了专注于生物3D打印的子公司Systemic Bio。该子公司专注于开发血管化器官模型，这些模型由水凝胶和人体细胞制成，用于药物发现和开发。为了推动Systemic Bio的医疗业务，3D Systems投入了1500万美元的种子资金。

事实上，自2020年起，3D Systems已经通过资产剥离，将其战略重心转移到了工业和医疗领域。公司不仅继续进行生物3D打印的研发，如实体器官支架的打印，还在努力与制药公司建立合作，推动3D打印在制药市场的发展。这一系列举措显示出3D Systems在生物打印领域的雄心和创新能力。

3）Desktop Metal

Desktop Metal自2015年成立以来，专注于桌面金属粘合剂喷射工艺的发展。在2020年12月10日，该公司通过SPAC合并成功上市，并募集到了5.75亿美元资金，公司估值达到了25亿美元，成为3D打印领域的独角兽企业。上市之后，Desktop Metal展开了一系列关于材料和工艺的收购行动，其中包括了对EnvisionTEC、ExOne等多家不同赛道的头部3D打印企业的收购。这些收购帮助Desktop Metal构建了一套全面的集成增材制造解决方案组合，涵盖硬件、软件、材料和服务，从而显著提高了其市场占有率。在强大资本的支持下，Desktop Metal迅速成长为新一代的3D打印巨头。通过对收购资源的整合，公司努力推动3D打印进入批量化和规模化制造的新时代。与此同时，Desktop Metal于2021年3月成立了Desktop Health，这是一家专注于为个性化医疗提供3D打印解决方案的医疗保健公司，标志着公司在3D打印技术的应用范围进一步拓展。

总结与展望
物质基复合材料的发展和应用，结合3D打印技术的革新，不仅标志着材料科学的重要进步，也是对全球环境保护和可持续发展理念的积极响应。这类材料主要来源于木材、农作物、农林废弃物、水生生物质和微生物等，其优势在于生物降解性、可持续性和环保特性。结合3D打印技术，这些材料能被应用于复杂结构和定制化设计，拓宽了其在医疗、建筑、航空航天等领域的应用范围。3D打印技术，包括FDM、SLS、SLA、DLP和Polyjet等，利用的原材料多样化，从热塑性材料到金属、石膏、玻璃纤维、陶瓷粉末和光敏树脂，满足了从简单构件到复杂机械部件的打印需求。在生物医学领域，3D生物打印技术如喷墨法、挤出沉积法、光固化成型和激光辅助法等正展现独特价值，用于打印支架材料、血管、瓣膜、骨骼等。木质纤维素材料作为一种可再生资源，在3D打印技术的帮助下可以精确设计并快速制造结构复杂的材料。这种结合不仅展现了生物质基材料的可持续性和环保特性，也利用了3D打印在设计自由度和制造效率上的优势。水生或海生生物质材料，在3D打印领域，尤其是3D生物打印技术中，发挥着重要作用。海藻酸钠和琼脂糖等材料在3D生物打印中的应用，如基于海藻酸钠的生物油墨，通过调节其分子量和固含量等，满足不同3D打印技术的需求。海藻酸钠水凝胶的剪切稀化效应和生物降解可控性等优点使其在3D生物打印中得到广泛应用。当前，生物3D打印技术作为医学领域的重要分支，正在引领一场技术革命。根据SmarTech的报告，预计到2028年，生物3D打印市场规模将达到12亿美元。尽管面临诸多挑战，如打印移植器官的精确度、可靠性和人体相容性等，但随着技术的不断发展和创新，预计未来生物3D打印将在医学领域带来更多突破。综上所述，生物质基复合材料和3D打印技术的结合，为众多领域提供了新的发展机遇。在技术和市场两方面，它们的融合不仅带来了创新的解决方案，也展现了对环境的关注和对可持续发展的承诺。随着研究的深入和技术的进步，生物质基复合材料在3D打印领域的应用将更加广泛和深入。木质纤维素和海藻酸钠等材料的研究与开发，特别是在改性和新溶剂的开发方面，将进一步提高这些材料的3D打印适用性和效率。此外，生物质基复合材料的生物降解性和环保特性也将推动其在更多环保要求高的应用领域中的使用，如可持续包装、生物医学应用和环境修复等。

在市场层面，随着技术的成熟和应用案例的增多，生物质基复合材料在3D打印领域的商业价值将显著提升。医疗、航空航天、建筑和消费品等行业将是生物质基复合材料3D打印技术的主要市场。特别是在个性化医疗和定制化产品制造方面，生物质基复合材料结合3D打印技术的潜力巨大。

未来，随着新材料的不断发现和新技术的不断涌现，生物质基复合材料的3D打印应用将更加多元化和精细化。这不仅将推动3D打印技术的发展，也将为实现可持续发展目标提供新的路径。可预见的是，生物质基复合材料和3D打印技术的结合将在未来几十年内继续作为一个重要的研究和发展领域，不断为我们的生活带来创新和改变。

参考文献：

[1]刘俊,孙璐姗,王钱钱等.3D打印生物质基复合材料研究进展及应用前景[J].生物产业技术,2017,(03):68-81.