3D打印生物材料在医疗卫生的应用

来源： EngineeringForLife

随着人口寿命的延长和生活质量的提高，对健康监测和疾病治疗的需求不断增长，3D打印技术以其在快速原型制作和定制化生产方面的显著优势，成为生物医学领域中聚合物生物材料应用的重要工具，尤其在个性化医疗设备、组织工程和药物递送系统等方面展现出巨大潜力。

亚利桑那州立大学宋克男团队探讨了不同3D打印技术与生物材料的兼容性，以及这些技术在生物传感器、生物执行器、软机器人、能量存储系统和自供能设备等领域的应用。

图1 3D打印方法用于健康应用

常用于健康应用的3D打印方法，包括熔融沉积建模（FDM）、直接墨水书写（DIW）、立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）、选择性激光烧结（SLS）和喷墨/层压制造（Inkjet printing/LOM），这些技术通过不同的打印机制实现材料的逐层沉积，从而构建出复杂的3D结构，它们在生物医学领域中具有广泛的应用前景，包括定制化医疗设备、组织工程和药物递送系统等。   

图2 3D打印技术在制造电阻/导电传感器、电容传感器以及微流体检测器和分离器方面的应用

3D打印技术在健康监测传感器领域的应用实例，包括利用电静力/导电传感器（如基于PEO/PANI/Graphene的柔性压力传感器）、离子传感器（如通过SLA打印的离子装置）和电容传感器（如基于Ecoflex的微结构电容式压力传感器），这些传感器能够监测生理参数变化，如压力、运动和呼吸模式，体现了3D打印在制造定制化、高精度健康监测设备方面的优势。

   

图3 3D打印技术在微流体检测器和分离器中的应用

3D打印技术在微流体装置领域的应用，包括用于抗菌药物敏感性测试的三维微流体浓度梯度生成器（μ-CGG）、用于分离循环肿瘤细胞（CTCs）的微流体设备，以及集成了微流体平台和光子硅芯片的系统，这些设备能够实现对药物浓度梯度的精确控制、提高肿瘤细胞捕获效率以及快速确定抗生素的最小抑制浓度（MIC），从而在疾病检测、癌症诊断和个性化医疗治疗中发挥重要作用。   

图4 3D打印技术在制造可穿戴汗液传感器方面的应用

3D打印技术在可穿戴微流体传感器领域的应用，包括用于实时监测汗液中电解质水平的生物电子贴片和能够顺序收集不同时间段汗液以分析氯离子浓度的“Sweatainer”系统，这些设备通过精确控制微流体通道和结构的设计，实现了非侵入式健康监测，为个性化医疗和运动生理状态评估提供了新的途径。   

图5 3D打印技术在开发多种微针传感器方面的应用

3D打印技术在制造微针（MNs）传感器方面的应用，包括用于监测皮肤间质液pH值的微针pH传感器、基于响应血糖水平释放胰岛素的微针贴片，以及用于实时监测皮下葡萄糖水平的微针生物传感器，这些设备的开发体现了3D打印在个性化医疗设备和非侵入性健康监测领域的巨大潜力。  

图6 3D打印技术在制造具有模仿生物运动能力的生物执行器及其在健康应用中的潜力

3D打印技术在制造生物执行器（bioactuators）方面的先进应用，包括通过立体光刻（SLA）技术制造的多材料微执行器芯片、对温度和pH响应的多响应执行器、具有扭曲模式的多材料直接墨水书写（DIW）执行器，以及集成了传感器的软体执行器，这些执行器能够模拟生物运动，用于软机器人、人工肌肉、药物递送载体等健康应用领域，体现了3D打印在定制化和功能化生物执行器设计中的关键作用。   

图7 3D打印技术在可穿戴软机器人领域的创新应用

3D打印技术在可穿戴软机器人领域的创新应用，包括能够执行实际任务的FDM打印的假手、基于FDM制造的用于康复训练的手套，以及集成了流体电路的完全3D打印的软机器人系统，这些设备通过精确控制流体流动来模拟手指运动和执行复杂任务，如玩视频游戏，从而在辅助设备、康复工具以及独立系统等方面展现了3D打印技术在提高生活质量和医疗应用中的潜力。   

图8 3D打印技术在制造自供能设备方面的应用

3D打印技术在制造自供能设备方面的应用，包括模仿鱼鳃结构的热电发生器、基于微连续液界面生产（μCLIP）技术的压电传感器、用于人体动脉中监测血栓的压电传感器，以及能够捕捉手部运动的摩擦电传感器，这些设备能够将机械能转换为电能，为可穿戴设备和植入式医疗设备提供能量，展示了3D打印在提升能源效率和促进个性化医疗设备发展中的重要性。   

图9 数据科学在3D生物打印中的应用

汇总了数据科学在3D生物打印中的应用，包括利用机器学习预测墨水力学性能与打印性的关系、贝叶斯优化框架评估打印性并优化材料配方、Hotelling T2控制图检测打印异常以及图像和数据处理分析打印线条的方法，这些技术的应用提高了打印过程的自动化质量控制和过程优化，推动了生物打印技术在再生医学领域的发展。   

全文总结
全文综述了3D打印技术与聚合物生物材料结合在生物医学领域的应用，包括多种3D打印技术如FDM、DIW、SLA、DLP、SLS等，以及它们与合成和天然生物材料的兼容性，重点探讨了这些技术在制造生物传感器、生物执行器、软机器人、能量存储系统、自供能设备以及数据科学在生物绘图中的应用，并讨论了面临的挑战和未来发展的前景，强调了3D打印技术在个性化医疗和再生医学中的巨大潜力。

文章来源：
https://doi.org/10.1002/adhm.202402571