3D打印技术概论

一、3D打印技术概论

（一）3D打印技术的发展历程

现代意义上的3D打印技术　于20世纪80年代中期诞生　于美国。1984年，美国科学家Charles Hull发明　了利用数字信息打印出三维立体模型的技术。2年后，Charles Hull率先推出光固化立体印刷（stereo lithography apparatus，SLA）方法，这是3D打印技术发展的里程碑。他于同年成立了第一家3D Systems公司，开发了第一台商用立体光敏3D打印机。在随后的几年中，熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）、选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）、分层实体制造（laminated object manufacturing，LOM）等3D打印技术也逐一被开发出来。

2012年8月15日，湖南华曙高科技有限责任公司成功研制了我国第一台激光3D打印机　。只要利用电脑输入需要打印产品的3D数据，该装备就能运用激光添加层烧结技术“打印”出任何想要得到的复杂形状的零部件。

起初，3D打印技术主要用于工业、电子产品及航空航天领域。而随着此技术的不断发展，医疗产业对其的应用也逐渐增多。3D打印技术最先应用于牙科与颌面部的手术，近年来，组织工程领域对该技术的研究也逐渐增多，而其在骨科中的应用也日益得到重视。

（二）3D打印技术的原理

3D打印机是一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。与传统的减材制造工艺不同，3D打印是以数据设计文件为基础，将材料逐层沉积或黏合以构造成三维物体的技术。3D打印机与普通打印机的工作原理基本类似，打印机内装有液体或粉末等原材料。与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”进行扫描和处理，重建三维图像，继而通过逐层加工、累积叠加的方式来生成3D实体。

在医学应用中，可以首先通过CT或MRI获取原始数据，经过软件处理后建立三维数字模型，根据临床需要，借助计算机辅助制造（computer aided design，CAD）软件进行修改和应用设计，最终将数据输入3D打印机完成打印。

目前常用的3D打印技术包括以下几种。

1.3D喷印

其原理为先在工作台上均匀地铺上单位厚度的粉末材料，再由计算机辅助设计的三维模型数据引导打印喷头，按指定路径喷出液态黏结剂使粉末黏结，之后打印平台下移一个单位平面，重复上述过程，逐层叠加最终生成3D打印产品。

2.光固化立体印刷

该成型技术利用紫外激光照射液态光敏树脂使其发生聚合、交联反应而固化的原理，同样由计算机按3D模型数据控制激光在某一单位平面的运动轨迹，使该层光敏树脂材料聚合固化，之后在该固化的树脂上再覆盖一层液态树脂，重复扫描固化直至模型打印完成。

3.选择性激光烧结(https://www.daowen.com)

与光固化立体印刷不同，该项技术利用的是激光束产生高温，使粉末类的材料熔融，冷却后再固化的原理。由计算机控制激光束运动轨迹以设定的速度和能量密度进行扫描，该层扫描完成固化后移至下一单位层面，最终形成所需的模型实体。

4.熔融沉积成型

其使用材料为丝状的热熔性材料，成型原理与光固化立体印刷类似，但是在打印之前需要将材料加热至半流体状态。由计算机控制喷头在3D模型该层截面轮廓处喷出熔融状态材料，之后材料迅速冷却凝固。如此层层反复进行至模型打印成型。

（三）3D打印材料

按照使用的生物材料的生物性能，可将生物3D打印技术的材料分为四个层次。

1.无生物相容性要求的材料

这是3D打印技术在医学中最初级的应用，打印材料包括可以通过适当工艺打印的所有材料。在外科工程领域主要用于打印手术器械、医学模型，以及手术护具、导板等。

2.生物相容性好、非降解的材料

包括钛合金、不锈钢、尼龙等不可降解材料，主要用于骨科、牙科等制成永久植入体。

3.具有生物相容性且可以降解的材料

包括聚乳酸、胶原、壳聚糖、明胶、海藻酸钠、镁合金等可降解聚合物或金属，用于制成组织工程的支架等。

4.活性细胞、细胞外基质、生长因子等

这是构成生物活性物质支架结构的基材，目标是打印能够模拟人体组织的自然结构、具有生命功能的活体组织或器官。该层次是目前3D打印技术在医学应用的研究焦点，这个层次也是有“中国3D打印第一人”之称的卢秉恒院士所说的“5D技术”。