一文读懂生物医药3D打印弹性体的成型、材料和应用

AM易道导语

当你的手指触碰到柔软却富有弹性的3D打印人工组织时，你可能不会想到这背后蕴含的复杂科技。

近日，印度国防先进技术研究所、 印度孟买化学技术研究所和COEP科技大学的研究团队在《Polymer Bulletin》期刊上发表了一篇题为《探索弹性体在生物医学应用中的增材制造》的全新综述论文。

这篇论文全面剖析了弹性体在生物医学3D打印领域的最新进展，为医疗器械个性化定制、组织工程和再生医学带来了丰富的视角。

弹性体，这种能够在压力下显著变形并在释放后恢复原状的聚合物材料，正成为生物医学3D打印领域的新宠。

为什么？

因为它们卓越的柔韧性、生物相容性以及模拟生物组织机械特性的能力，使它们在个性化医疗器械制造中具有无可比拟的优势。

弹性体：生物医学3D打印的理想材料

弹性体的分子结构由长聚合物链组成，赋予其高度的灵活性和耐久性。这些材料被广泛应用于需要生物相容性和灵活性的医学领域。

与传统的刚性聚合物相比，弹性体可以设计成展现不同程度的硬度、弹性和降解速率，从而增强其在各种医疗设备中的效能。

生物医学领域主要使用的弹性体包括硅橡胶、聚氨酯和热塑性弹性体。

硅橡胶因其热稳定性、化学抗性和生物相容性而被广泛应用于导管、植入物和假肢。

聚氨酯弹性体则因其坚固性、灵活性和生物相容性，成为血管移植物、伤口敷料和起搏器导线等应用的关键材料。

热塑性弹性体结合了塑料的加工优势和橡胶的弹性特性，简化了复杂形状和重复机械应力应用场景下的使用。

传统制造VS增材制造：弹性体的转变

传统的弹性体生物医学设备制造技术，如注塑成型和挤出，由于能够大批量生产高质量产品，长期以来一直是行业标准。

这些方法通常需要昂贵的工具、设计灵活性有限，并且会造成大量材料浪费。

此外，先进生物医学应用所需的复杂几何形状和定制化也为传统制造方法带来了显著挑战。

3D打印，为弹性体生物医学设备的制造带来了革命性的方法。

正如图1所示，增材制造使用数字模型逐层构建产品，提供了无与伦比的设计灵活性和创建复杂、患者特定几何形状的能力。

弹性体材料可以通过多种3D打印工艺进行处理，使得能够以精确控制其机械特性和结构安排的方式生产特定医疗设备。

弹性体3D打印技术：多元化的解决方案

熔融沉积成型（FDM）：灵活且经济实惠

如图3所示，FDM是一种灵活且具有成本效益的平台，提供可扩展性。

它被广泛用于生物医学领域，为生物医学功能提供刚性和生物相容性热塑性材料。

在医疗领域，FDM打印的弹性体被应用于轮椅垫、关节植入物和颅骨植入物等多种产品。

一个突出的研究案例是使用聚碳酸酯氨酯-硅胶（PCU-Sil）共聚物制造医疗植入物，该材料显示出高达45.7%的断裂应变和6.9 MPa的拉伸应力，使其特别适用于导管、心脏瓣膜和血管植入物等应用。

另一项创新应用是使用丝绸纤维增强的PETG（聚对苯二甲酸乙二醇酯）复合材料进行FDM打印，这种组合在10%以下的重量选择下显示出优异的可打印性，广泛应用于颌面植入物、脊柱、假肢接受腔和骨支架等多个生物医学领域。

光固化成型（SLA）：高精度的选择

如图4所示，立体光刻是一种多功能的增材制造技术，在设计各种尺度的结构时提供高精度。

它已经彻底改变了外科手术和生物医学设备，新的树脂和材料扩展了其应用范围，包括定制解剖形状的植入物。

在实际应用中，SLA技术被广泛用于制造3D打印组织、心脏除颤器和心血管支架等多种医疗器件。

例如，使用聚（L-乳酸-co-ε-己内酯）（BSS-PLCL）的弹性体材料，研究人员成功开发了具有卓越生物相容性的神经导管，展示了定向轴突生长和有效再生，无神经病理性疼痛增加的特性。

该材料的杨氏模量为0.19 MPa，拉伸应变高达800%，断裂能量为30 kJ/m²，使其成为神经修复领域的理想选择。

此外，SLA技术还被应用于制造定制牙科假体和生物医学支架，展示了其在高精度医疗应用中的独特优势。

直接墨水写入（DIW）：精确控制的艺术

如图5所示，直接墨水写入（DIW）是一种前沿的增材制造方法，能够快速、高精度、可控地制造复杂的几何形状。

这种方法提供了卓越的几何、架构和尺寸管理，同时减少材料浪费。

通过使用计算机控制的沉积和墨水丝的连续挤出，DIW可以逐层制造三维（3D）结构，而无需昂贵的额外工具。

在实际应用中，DIW技术已成功用于制造骨支架和生物传感器等关键医疗器件。

一项创新的相变DIW方法实现了高分辨率硅胶打印，用于柔性传感器。

同时，基于PDMS的DIW已成功开发出用于电子和软机器人的多功能结构，无需广泛的后处理即可制造复杂的微流体设备。

另一项突破性研究将胆甾烯液晶弹性体与硅胶结合，通过共轴DIW制造机械变色传感器，为医疗监测设备开辟了新的可能性。

DIW可以使用各类聚二甲基硅氧烷（PDMS）与吡咯（PY）、聚乙二醇（PEG）、樟脑磺酸（CSA）和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）的生物医学应用包括深部脑刺激电极、仿生眼睛和耳朵以及心脏起搏器。

材料喷射（MJ）：精确多材料打印

如图8所示，材料喷射（MJ）是一种杰出的的制造工艺，它开启了各种工业和科学应用的可能性。

这种技术之所以受欢迎，是因为它可以在任何尺寸上制造，成本低廉，吞吐量高，并且能够通过同时打印多种材料来增强功能性。

在精确度和打印物体表面粗糙度方面，MJ优于其他增材制造工艺，如材料挤出、粘结剂喷射或粉末床熔合。

在生物医学领域，MJ技术已被用于制造硅胶、水凝胶和PDMS，导致孔隙率降低1.5-4%，机械强度提高两倍。

这些弹性体材料广泛应用于心血管手术、颅脑模拟和上肢假肢等领域。

一个突出的应用案例是使用树脂组合模拟商业弹性体制造外科器械原型，这种方法可以快速生产出具有特定机械特性的复杂医疗设备，大大加速了医疗创新过程。

选择性激光烧结（SLS）：无支撑结构的优势

如图9所示，SLS是一种快速原型制作方法，具有高精度、无需支撑结构和多种材料选择的优势。

它对手术规划和医疗设备原型制作特别有益，因为它能够生产复杂的形状，如通道和悬垂结构。

SLS对支架孔的尺寸、形状和结构的精确控制使其在组织工程支架开发中非常有价值。

研究广泛关注基于纤维素的聚合物，如聚己内酯（PCL），因其在生物医学应用中的优势。

在骨科和组织工程生物医学领域，SLS被用于生产如磷酸钙（CP）/聚（羟基丁酸-co-羟基戊酸）（PHBV）和碳酸化羟基磷灰石（CHA）/聚（L-乳酸）（PLLA）等材料。

SLS技术的一个突出应用是开发具有80%孔隙率的多孔生物可降解支架，这种高孔隙率显著增强了细胞附着和组织生长能力，为骨组织再生提供了理想的环境。

熔融电写（MEW）：高分辨率微纳米纤维制造

如图10所示，熔融电纺（MEW）是一种高分辨率3D打印方法，结合了熔融挤出和电流体动力学纤维吸引。

MEW因其能够精确沉积生物相容性聚合物的微米到纳米级链，而成为多种组织工程应用的有前途的支架生产技术。

MEW的主要目标一直是开发热塑性聚合物，特别是聚（ε-己内酯）（PCL），因其低熔点和冷却后快速固化的特性。

这种方法可以创建基于超细纤维的生物支架，在组织工程和再生医学中有多种用途。

此外，MEW的精确构建由纤维墙组成的复杂支架，具有精细的曲线几何形状，这一过程由液晶墨水的使用而简化。

一个突出的应用实例是使用PEOT-PBT多嵌段共聚物制造弹性支架，这种材料促进软组织再生，具有更高的屈服应变和更低的杨氏模量。

另一个创新应用是使用聚羟基烷酸酯（PHAs）制造可酶降解的支架，这种材料提供可调节的降解性能和增强的细胞粘附能力，为组织工程提供了新的可能性。

原位双重加热（ISDH）

如图6所示，原位双重加热（ISDH）方法通过加热加速的原位凝胶过程快速生产热固性材料。

打印机使用焦耳加热器生成高温区域，以两种方式影响系统。

已固化墨水的上层保持在高温下，而新挤出的墨水通过称为原位双重加热的过程从顶层快速加热。

左上方显示了压力源，通过加热器将新鲜挤出的墨水推向已固化的墨水基座。

图中央红色区域表示温度梯度，展示了热量如何从上层已固化墨水传递到新挤出墨水。

这种双重加热机制使墨水在挤出后迅速经历原位凝胶化，因为它在挤出器内保持在低温下。

这一过程使凝胶时间从室温下的几分钟急剧缩短到几秒钟，粘度也相应急剧增加。

图6下方还展示了ISDH技术的三个主要生物医学应用领域：生物打印、组织工程和手术导引。

这种技术的一个重要特点是，和DIW比较类似，但它使DIW技术能够打印低粘度热固性材料，热固性材料具有广泛的流变学特性，以及异质和功能性热固性材料。

自由形式可逆嵌入（FRE）

自由形式可逆嵌入（FRE）技术（如图7所示）为3D打印提供了一种独特的策略，特别适合具有复杂流变特性的材料，如聚二甲基硅氧烷（PDMS），一种要求苛刻的热固性弹性体。

图7详细展示了FRE技术的完整工作流程，分为四个关键步骤：

(a) 基本3D打印设置：显示了3D打印针头和支撑材料的基本配置

(b) 在支撑层上打印所需产品：展示了打印头在支撑材料上沉积材料

(c) 支撑层移除：展示了如何去除支撑材料

(d) 最终3D打印产品：展示了完成的3D打印结构

在FRE中，打印过程涉及使用支撑和在挤出后逐渐固化的热固性墨水，这与传统熔融沉积建模（FDM）中看到的即时热固化不同。

这种方法需要仔细关注打印动态，其中层压缩和剪切应力等因素在材料流动和层间粘附中起作用。

为增强打印质量，流变修饰剂被添加到PDMS墨水中，以调节其流动特性，确保它只在特定应力下有效固化。

图7下方展示了FRE技术的三个主要生物医学应用：乳房植入物、眼科植入物和血管植入物。

乳房植入物需要软组织相容性和自然外观，眼科植入物要求极高的精度和生物相容性，而血管植入物则需要精确的管腔结构和优异的血液相容性。

FRE技术在这些应用中的优势在于其能够创建具有复杂内部结构的无缺陷对象，这对于模拟天然组织的机械性能至关重要。

生物医学弹性体材料：种类繁多、各具特色
聚碳酸酯氨酯弹性体（PCU）

PCU是具有软硬晶体段的嵌段共聚物，使用脂肪族二异氰酸酯、PCL-二醇和丁二醇（BDO）通过两步法制备。

PCU生物医学应用包括关节软骨、半月板修复、心血管组织工程、人工皮肤和松质骨移植替代品）。

在PCU组件的研究中，其机械性能测试显示，75A、85A和95A变体的平均失效应力值分别为17.7 MPa、24.2 MPa和31.3 MPa，失效应变高达500%。

基于这些特性，PCU被广泛应用于椎间盘置换、髋臼杯轴承表面、半月板植入物和骨软骨植入物。

乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）

EVA是一种由乙烯和醋酸乙烯酯（VA）（19重量百分比）共聚形成的热塑性共聚物，因其柔软性和弹性常被比作橡胶。

含有28重量百分比VA的EVA用于制造皮下植入物和生殖系统插入物，可表现出受控药物释放特性，改善了治疗效果。

增加VA含量可改善聚（EVA）的特性，包括3.6 MPa的拉伸强度、2224%的断裂延伸率、0.48 MPa的杨氏模量和41 MPa的拉伸韧性，使其成为生物医学设备的绝缘体和封装材料。

为了解决EVA颗粒形式在避免丝材屈曲方面的问题，研究人员开发了一种特定的基于挤出的FDM打印机，该打印机被应用于人工肌肉、软机器人和执行器等领域。

研究显示，这种方法打印的EVA组件具有高达1000%的延伸率和出色的能量吸收与恢复特性，拉伸强度为6.59 MPa。

聚（苯乙烯-b-异丁烯-b-苯乙烯）（SIBS）

SIBS是以聚异丁烯为基础的极软热塑性弹性体。

为治疗青光眼，SIBS与聚苯乙烯（PS）混合成一种用于眼科植入物和药物洗脱冠状动脉支架涂层的复合材料。

在一项研究中，研究人员通过将SIBS与价格较低的替代品PS结合，提出了一种新的3D打印方法。

通过添加PS，SIBS的机械特性得到增强，3D打印变得更加广泛可用。

研究者探索了不同的SIBS与PS比例（23-43%），以SIBS为主要成分。熔融丝材制造（FFF）被用于打印，因为其他方法不适用于SIBS，而直接墨水写入（DIW）也不合适。

更高的PS百分比改善了可打印性，这归因于增加的硬度和降低的粘度。

这种方法为克服SIBS 3D打印挑战提供了可行的解决方案。

聚醚醚酮（PEEK）

PEEK是一种有效的半结晶热塑性聚合物，可替代生物医学应用中的可植入金属材料，如骨组织工程。

在这些应用中，热压技术用于制造碳纳米管复合材料。

基于沥青的碳纤维和聚丙烯腈（PAN）与PEEK混合创建复合材料，用于骨科和全关节置换应用。

研究表明，CFR-PEEK复合材料表现出较高的拉伸强度，范围从800到600 MPa，而PEEK复合材料的弯曲强度在416.8到780.6 MPa之间，弯曲和压缩模量在19到38 GPa之间。

PEEK因其优异的机械特性、生物相容性和放射透明性，特别适用于骨科植入物。

近年来，PEEK及其复合材料在增材制造中引起了广泛关注，选择性激光烧结和熔融沉积建模（FDM）是主要方法。

虽然PEEK植入物已在临床上成功使用，但增材制造的定制PEEK骨科植入物仍处于临床试验阶段。

改善生物相容性、简化打印过程以及解决PEEK增材制造与软组织和骨骼结合不良的问题（由于其生物惰性）是主要挑战。

聚（甘油龙二酸酯甲基丙烯酸酯）（PGSm）

PGS因其弹性特性而被广泛认可。

拉伸强度测试揭示了其通过独特的应力-应变曲线表现出的弹性特性。

此外，该聚合物的水接触角约为70至80°，被认为是亲水性的。在生理温度（约37°C，与生物医学应用相关的温度）下，它完全是非晶态的。

最近的研究表明，PGS及其衍生物在生物医学领域的使用正在增长，这归功于它们的生物相容性、可生物降解性和可调性能。

如图2所示，PGS及其衍生物在生物医学领域有着广泛的应用谱系。

该图清晰地展示了PGS衍生物在不同组织类型中的多功能应用，将它们分为三大类：硬组织（如骨骼、软骨和牙科）、软组织（如神经、膜和导管、血管和心脏）以及载体和基质与递送和器件。

在硬组织应用中，PGS被用于骨支架、软骨修复和牙科材料；

在软组织应用中，它被用于神经修复、血管移植物和心脏组织工程；

而在递送和器件方面，它被用作药物递送系统和生物医学设备的关键组件。

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）

PETG因其卓越的生物相容性、优异的化学和磨损抗性、易成型性以及稳定的热机械特性，成为生物医学应用中的宝贵材料。

丝绸是用于增强的天然纤维之一，在生物医学领域有多种用途，如颌面植入物、咬合器具、脊柱侧弯支架、骨支架和假肢接受腔。

PETG是生物医学研究和工程中的一种基本技术，因其改善药物载体、细胞研究和抗菌措施的能力。

随着进一步的医学研究和创新，PETG将更好地展示其作为灵活且价格合理的生物材料的价值。

液晶弹性体（LCE）

液晶弹性体（LCEs）是在最小交联聚合物网络中的刚性介晶分子，表现出适合生物医学应用的弹性体行为。

初始介晶体在部分固化、取向锁定和完全固化的两个阶段中创建LCEs。

研究考察了三种不同类型的LCEs：单畴固体、多畴固体和多畴多孔体。

每种类型具有独特的机械特性但相似的成分。

考虑到潜在的承重应用，这些发现表明LCEs对生物医学使用是可靠且安全的。

PDMS及其在电子生物医学应用中的作用

PDMS（聚二甲基硅氧烷）是一种被广泛研究的弹性体材料，在生物医学电子应用中具有重要作用。

它与吡咯（PY）、聚乙二醇（PEG）、樟脑磺酸（CSA）和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）等材料结合，用于深部脑刺激电极、仿生眼睛和耳朵以及心脏起搏器等生物医学应用。

PDMS因其导电性、弹性、生物相容性和稳定性的独特组合而成为生物电子学的关键材料。

通过材料喷射技术制造的PDMS表现出孔隙率降低1.5-4%和机械强度提高两倍的特性。

此外，PDMS与导电填料如碳纳米管或石墨烯的复合物使其能够用于生物传感器和可穿戴医疗设备，能够连续监测生理信号。

最近的研究开发了一种可3D打印的自修复型PDMS弹性体，为医疗监测和治疗设备开辟了新的可能性。

AM易道总结：弹性体3D打印的未来与挑战

随着增材制造技术和弹性体材料的不断进步，我们看到了生物医学领域的巨大潜力。

特别是在个性化医疗设备、组织工程和药物递送系统方面，3D打印弹性体正在开辟前所未有的可能性。

然而，要充分实现这一潜力，研究人员需要解决材料性能一致性、打印工艺复杂性以及监管合规性等挑战。

创新的打印技术，如原位双重加热和自由形式可逆嵌入，正在解决热固性弹性体打印的特定挑战。

这些技术处理了与粘度、凝胶动力学和结构完整性相关的限制，使得能够生产精细、患者特定的生物医学设备。

此外，对各种弹性体材料的生物相容性和机械性能的详细研究，拓宽了它们在组织工程、假肢和可植入医疗设备中的潜力。具体请查阅下表：

结语：触摸未来，柔软却坚韧

当我们站在生物医学增材制造的前沿，弹性体材料以其独特的物理化学和机械特性，正在重新定义我们设计和制造医疗器械的方式。

从传统制造向3D打印的转变，不仅是技术上的飞跃，更是思维方式的升级：

从批量生产到个性化定制，从标准化到精准医疗。

AM易道认为，随着数字化、可编程性和人工智能技术的融入，弹性体生物制造正迈向智能化。

智能算法可以基于患者特定的生理数据预测最佳材料配方和结构设计，实现生物力学性能的精确调控；

机器学习系统能够通过分析大量病例数据，自动优化打印参数，确保产品的一致性和可靠性；

而人工智能辅助设计则使得极其复杂的仿生结构成为可能，让人造组织更接近自然组织的多层次、多尺度特性。

当一个3D打印的弹性体心脏瓣膜在患者体内跳动，当一个定制的神经导管引导神经细胞再生，我们看到的不仅是3D打印的奇迹，更是生命的韧性与可塑性。

未来已来，而它的质地，恰如弹性体—柔软却坚韧，能够适应并弯曲，却永不断裂。

文章信息：

https://doi.org/10.1007/s00289-025-05771-x

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