机械超材料：增材制造应用于生物医疗

来源： 极端制造
作 者：陈俊升1，陈继兵1，王洪泽2，何亮3，黄博洋4，Sasan Dadbakhsh5，Paulo Bartolo4
机 构：1.武汉轻工大学2.上海交通大学3.四川大学4.新加坡南洋理工大学5.瑞典皇家理工学院

在全球老龄化趋势的背景下，对生物材料的需求不断增长，可以解决人口老龄化的医疗保健需求。生物材料在功能性植入物的制造中起着至关重要的作用，使患者能够在疾病或损伤后恢复其形态和功能。近年来，机械超材料在生物医学领域的应用有了很大的发展。这些超材料具有独特的结构和性能，使它们能够通过精确控制其微观结构来实现特定的功能。

机械超材料的增材制造及其在生物医学领域的应用已经成为一个新兴的话题。然而，对这一研究的全面回顾一直缺乏。为了解决这一差距，本文系统概述了生物医学领域增材制造及其超材料的最新进展（如图1）。

图1  增材制造技术在生物医学领域的应用，特别是在制造机械超材料方面。

近期，武汉轻工大学的陈俊升硕士生、陈继兵副教授、上海交通大学的王洪泽教授，四川大学的何亮教授，瑞典皇家理工学院的Sasan Dadbakhsh教授以及新加坡南洋理工大学的黄博洋博士生和Paulo Bartolo教授，在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）期刊上发表了题为《Fabrication and development of mechanical metamaterials via additive manufacturing for biomedical applications: a review》的文章，综述了生物医疗领域增材制造的应用等前沿进展，提出了基于生物仿生结构的超材料的发展思路（图2），对生物医疗领域发展具有重要意义。

图2  动物仿生机械超材料的应用。

亮  点
1. 介绍了用于制造多孔生物医学结构的各种增材制造技术；
2. 概述了从金属材料、聚合物、陶瓷到活性细胞各类生物医疗材料；
3. 总结了从重复的晶格、TPMS到自然灵感的各种结构的设计；
4. 展望了增材制造生物医学材料的未来应用前景和发展趋势。

图文解析
图3展示了挤出增材制造技术在生物医学领域的不同应用场景。图3a基于挤压的3D打印技术来打印软半月板，该半月板是用由聚乳酸（PLLA）纳米纤维、人脂肪源干细胞（hASCs）和海藻酸盐水凝胶组成的纳米纤维生物墨水打印的。这种含有纳米纤维的生物墨水已被证明能够实现更高的细胞增殖水平，并促进形成软骨组织结构。图3b展示了将具有大孔结构的HA支架植入山羊的腕骨和跖骨中。将人骨形态发生蛋白-2rhBMP-2添加到多孔支架后，填充骨组织的空隙百分比增加，并证实促进了愈合。图3c是一种适用于皮肤组织修复的高孔隙率胶原支架的低温绘图方法。细胞的有效迁移和产生高度分化的角质形成细胞，同时证明了该支架具有极佳的生物相容性。

图3  挤压技术在生物医学领域的不同应用场景。

总结与展望
未来，生物打印作为一种特殊的增材制造技术，将能够精确地工程化生物材料、生长因子和细胞，以实现复杂的组织结构。人工智能（AI）也将在推动这些技术的发展中发挥越来越重要的作用，通过优化生物打印结构和机械超材料的设计和功能。预计AI算法将根据微观结构、生物打印参数和材料组成预测植入物的机械性能，以便优化细胞存活和功能。

作者简介

陈俊升
武汉轻工大学

陈俊升，武汉轻工大学机械工程学院硕士研究生，师从陈继兵副教授。主要研究方向为增材制造技术（3D打印），研究生期间在《Int. J. Extreme Manuf.》和《Trans. Nonferr. Metals Soc. China》等期刊发表SCI论文3篇。

陈继兵
武汉轻工大学

陈继兵，博士，副教授，硕士生导师。毕业于华中科技大学材料加工工程专业，主要从事金属/复合材料增材制造技术（3D打印）、电子封装技术、大功率器件可靠性等方向的研究工作，湖北省机械工程学会塑性工程专业委员会理事。以第一作者或通讯作者在国内外期刊如《Int. J. Extreme Manuf.》《Biofabrication》《J. Manuf. Process.》《Prog. Nat. Sci. Mater. Int.》等发表学术论文50余篇，其中被SCI和EI收录论文近40余篇，申请专利70余项，其中授权发明专利12项，出版“十四五”普通高等院校机械类规划教材3部，指导大学生参加国家/省级大赛获得一等奖10余项，主持或参与国家级、省部级项目10余项,担任《Progress in Natural Science: Materials International》和《Electronics and Signal Processing》期刊青年编委，还担任《Rapid Prototyping Journal》《Materials》《Journal of Laser Applications》《Journal of Adhesion Science and Technology》和《Soldering & Surface Mount Technology》等10余种SCI期刊审稿人。