杨继全, 刘 诚, 李 娜, 施建平, 唐文来, 张 钢

(南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏 南京 210023)

多材料3D打印是多种材料、结构和功能三者的并行设计与制造[1]，其中，材料是3D打印的物质基础和关键要素，也是当前制约3D打印发展的瓶颈之一。3D打印异质零件常见材料分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料等类别，对于不同类别的成形材料，其设计与制备技术、测试与评价方法各异。本文将在介绍异质材料设计、制备等常规性方法的基础上，重点介绍生物3D打印新型材料的设计、制作与应用。

1 3D打印常用成形材料概述

3D打印技术的兴起和发展[2]，离不开3D打印材料的发展。3D打印有多种工艺种类，如SLS、SLA、FDM、DLP等，3D打印成形工艺的特殊性决定了不同成形工艺对其材料均有特殊的要求，如SLS、SLA工艺要求对某一波段的光比较敏感的光敏树脂，SLS要求颗粒度较小的粉末，LOM要求易切割的片材，FDM要求可熔融的线材，3DP则不但要求有颗粒度较小的粉末，同时还要求有黏度较高的黏结剂。表1所示为不同3D打印工艺及其可应用的基本材料。

表1所列的材料基本都是单一均质类型的成形材料，在多材料3D打印中均无法直接单一使用。因此，有必要研究与开发适用于多材料3D打印工艺的高性能成形材料。

表1 不同3D打印工艺及其可应用的基本材料

2 3D打印异质零件材料的设计

材料的不同导致了结构的异形特点，因而可以从材料的角度对异质零件进行设计。材料科学的发展使得材料的制备可以依据零件的功能和目的进行设计。多种类材料组成的异质结构[3]，其设计思想和制作方法是不同的，异质材料主要包括梯度功能材料、复合材料和混杂材料[4]，近年也出现了仿生材料。前3种材料设计的区别见表2。

表2 3种异质材料设计的区别

2.1 梯度功能材料设计

梯度功能材料由两种或多种材料复合而成，组分材料的体积分数在空间中呈连续变化，组分材料的过渡呈梯度特性[5]，故它又称为梯度异质材料。

梯度功能材料诞生于20世纪80年代，是一类按一定的梯度规律将多种不同材料混合而成的新型材料[6]。梯度功能材料的组分和结构呈连续梯度变化，可以充分利用各相组分材料的属性来获得最优的零件性能[7]，并且因材料是连续过渡的而具有较好的热载荷性能和力学性能。比如早期的用于航天工程的陶瓷-金属梯度功能材料就是同时利用了陶瓷的耐熔性和金属的韧性的典型实例。梯度功能材料可以明显改善零件的力学性能，在一些特殊领域有广泛的应用，例如航空器上采用的耐热管、机械工程领域采用的摩擦片等。该类材料的制作方法是将具有明显位相差异的两类材料(例如陶瓷和金属)按一定的梯度混合在一起[8]。

对此类材料进行定义，位置点材料函数为：

(1)

式中：Pd为几何位置d的材料特征P点；mi为该点包含的第i种材料的描述；n为材料类型数；fi(d)为第i种材料的梯度分布函数，0≤fi(d)≤1，fi(d)根据具体的对象进行设计，可以是均匀或者非均匀变化材料的分布函数。

梯度变化方向随着梯度分布函数维数的增加，产生了多维材料变化的效果，如图1所示。

图1 材料多维梯度变化对象

2.2 复合材料设计

复合材料(CM)主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类，如图2所示。结构复合材料是作为承力结构使用的材料，基本上由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体使之成为整体材料同时又起传递力作用的基体组元构成。增强体包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属以及天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等[9]，基体则有高聚物(树脂)、金属、陶瓷、玻璃和水泥等。不同的增强体和不同基体即可组成不同的结构复合材料，通常以所用的基体来命名，如高聚物(树脂)基复合材料等[10]。结构复合材料的特点是可根据材料在使用中受力的要求进行组元选材设计，更重要的是还可进行复合结构设计，即增强体排布设计，能合理地满足需要并节约用材[11]。

图2 复合材料

功能复合材料是指除能提供力学性能以外还提供其他功能或某些物理性能的复合材料，如提供导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸波、透波、摩擦、屏蔽、阻燃、防热、吸声、隔热等功能。功能复合材料主要由功能体、增强体及基体组成。功能体可由一种或一种以上功能材料组成，且多种材料之间由于复合效应还会产生新的功能。基体不仅起到构成整体的作用，而且能产生协同或加强功能的作用。因此，多功能复合材料将是功能复合材料的发展方向[12]。

具有周期性网孔的功能材料也是一种功能复合材料，这种网孔状复合材料结构体是一种理想的异质结构。这类材料由一系列基元单位构成，如图3所示，每个基元由两部分组成：空位相和材料位相。基元是这种复合材料中的最小单元结构，其排列形式具有周期性规律或者非周期无序性。基元细胞的拓扑结构和材料组分决定了这类材料的性能，改变拓扑结构或者材料组分的性能，材料的性能也将随之发生变化。

图3 具有周期性网孔的功能材料

2.3 混杂多相材料设计

混杂多相材料是多类具有不同性能的材料的理想组合，如图4所示。它可以是上述两类材料(梯度功能材料、复合材料)的任意组合。这类材料具有良好的特殊性能，应用于一些特定方面，例如牙齿、骨骼等人体器官。

图4 多相理想材料示意图

2.4 材料仿生设计

早在1960年，美国的Steele就提出了以生物的结构和功能原理为技术创新设计的依据，来研制新的机械、开发新技术或解决机械技术难题的仿生学概念。仿生学作为一门综合性交叉学科，打破了生物和机器的界限，将各种不同的系统连通起来，已经在许多科学研究与应用领域发挥了巨大的指导作用[13]。

人们通过大量的研究，已经形成共识，即自然界为高性能异质零件材料的设计提供了重要的可借鉴思路。

1)生物界基本上都是利用最普通的元素，以最小的能量消耗，在常温常压条件下合成复杂的功能结构。因此，与人造材料相比，构成生物体功能结构的组成材料成分种类一般较少，通常以“简单组成、复杂结构”的精细组合来实现材料的高性能。

2)在微米至毫米级的介观尺度下，天然生物材料普遍呈现出一定的多孔结构。这一结构特征有效地降低了材料的密度，并赋予其各向异性的力学性能。同时，在不改变材料固有属性的前提下，生物体根据环境需求对材料内部刚性基质的排布方式进行了优化，如螺旋结构和布利冈结构，以尽可能地提升材料主承载方向上的综合力学性能。另一方面，这种各向异性的力学结构，不仅可以优化生物材料的力学性能，还能够引导其做各种定向的变形运动，使材料变得更加智能。

3)为了解决不同材料之间的连接带来的应力集中效应，生物体往往具有特殊的连接界面，以缓解应力集中效应，提高连接强度。例如，哺乳动物的肌腱端，通过优化复合材料的矿化程度和内部刚性纤维的分布模式，很好地缓解了骨骼与肌肉间的应力集中效应，有效提高了连接强度。

采用传统的减材制造技术(铸造、模塑和机加工等)几乎无法制造这种精细的复合结构。利用自组装的方法，可制备出一定的仿生结构，但很难实现对材料内部微结构单元的精确控制，也很难实现大规模生产。因此，3D打印是目前最有希望将生物材料的这些优势转变为现实的技术手段。

3 3D打印异质结构材料

随着制备技术的迅速发展，制备成本下降，开发周期缩短，异质零件应用范围一直在扩大，从切削工具到发动机零部件，从机械工程到电子工程，从光学纤维到人造关节[14]，都出现了异质零件的应用实例。除目前常用的FDM、SLA、LENS、SLM等成形技术外，直接金属沉积(DMD)、超声波固结(UC)、复印固化成形(SGC)等成形技术经过合适的设备调整和工艺规划也可以用于梯度异质零件的制备，每一种成形技术所适用的材料的范围通常是有限的，因此在产品设计阶段即应考虑与组分材料对应的制备工艺的选择。

目前，在学术界和工业界涌现了大量的异质材料制备技术，如化学气相沉积、物理气相沉积、热压烧结、等离子喷涂、电镀、燃烧合成、自蔓延高温合成、离心铸造、受控充模、粉末冶金等技术。这些技术需要对设备和具体制备目标进行分析，并对工艺过程进行控制以免改变材料的分布，且由于受到具体设备的限制而无法制造出任意外形尺寸和材料组成比例的异质零件，因而这些技术的应用受到限制。

在聚合基纳米复合材料中，当聚合物为水凝胶时，其复合材料就是纳米复合水凝胶，通常来讲就是在因吸收大量水而溶胀的交联聚合物网络中含有纳米粒子或者纳米结构的材料。这些存在的纳米粒子可以被用来交联水凝胶，或者依附、吸附在水凝胶中，这一简单复合过程可以赋予水凝胶新的性能。纳米材料可以赋予复合水凝胶许多独特的性能[15]，如力学、光学、磁学、电学、热学等方面的性能。这些独特的性能可以使复合水凝胶应用在电子、传感器、光学、制动器等物理学领域以及生物传感器、药物控制释放、肿瘤药物等生物科技方面。

制备纳米复合水凝胶的方法很多，如原位聚合法、以水凝胶作为反应场所合成纳米材料、多次溶胀收缩吸附纳米复合材料制备复合水凝胶等。纳米复合水凝胶大多应用在药物的远程控制释放、微流体阀门、高效可控多次重复催化剂等方向，具有很大的应用前景。

梯度异质零件的制备技术为实现其功能和应用提供了可能性，是研究梯度异质零件设计、优化、工艺规划等技术和方法的基础。为满足不同性质材料按需精确分配的需求，华中科技大学的谢丹等[16]提出了一种由多个微滴喷射单元构成的多材料按需微滴喷射系统。该系统的微滴产生模块由用于低黏度流体材料的气动膜片式微滴喷射单元、用于熔融金属流体的压电活塞式微滴喷射单元和用于高黏度流体的机械阀式微滴喷射单元组成；由数字相机、模拟相机和图像采集卡构成的图像采集系统，实现液滴沉积的视觉引导对准定位，以及微滴产生过程的图像采集。利用该系统，进行水基混合物、金属焊料和环氧树脂胶的微滴喷射实验，分析不同黏度对液体微滴喷射过程的影响，实现了金属焊料的微滴喷射，获得了平均直径为70.5 μm的焊球及焊球阵列，其直径偏差小于2%。同时也获得了平均直径为0.6 mm的环氧树脂胶点阵列，其直径偏差小于4%。实验结果表明：该系统可用于包括高黏度环氧树脂胶、金属焊料等在内的多种不同黏度的材料，实现微米级微滴的按需喷射。

4 生物3D打印材料

由于生物体组织的固有特征之一就是组织材料的梯度性，因此梯度异质材料在生物医学领域获得了极大的关注[17]，如由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维和高密度聚乙烯制备的梯度功能材料可用作膝关节置换材料，由纤连蛋白和胶原蛋白制备的梯度功能材料涂层组织可以改进植入硬组织的钛修复体的生长行为等。

4.1 生物3D打印材料研究进展

在国内，北京口腔医院[18]依据获取的三维医学模型打印以人牙髓细胞与海藻酸钠共混物为材料的三维结构体，经验证，人牙髓细胞在三维结构体中仍能生长增殖。

杭州电子科技大学[19]以人卵巢癌细胞、海藻酸钠等混合物3D打印体外卵巢癌三维结构体，准确地模拟了体内肿瘤生长机制，为肿瘤研究和抗癌药物筛选提供了新的技术可能。

山西医科大学口腔医院口腔外科李卫星等[20]将壳聚糖-明胶-磷酸三钙复合物作为骨组织工程支架的原材料，并且采用二次冻干技术制备了孔径为200～400 μm的CS-Gel/TCP三维立体骨支架，将兔骨髓基质细胞(BMSC)进行体外培养，并将其诱导为骨髓基质成骨细胞(BMSO)，结果显示：壳聚糖-明胶-磷酸三钙复合支架具有良好的骨修复效果。

西安交通大学与第四军医大学的王林等[21]采用SLA工艺间接成形了磷酸三钙骨水泥支架，通过控制支架微孔结构对密质骨哈氏系统进行仿生实验，并观察了支架的生物相容性。

第四军医大学的李旭升等[22]采用清华大学的低温挤出成形机分别制备了PLGA和PLGA/TCP支架。然后，在PLGA支架上种植采用软骨诱导的兔骨髓基质细胞，在PLGA/TCP支架上种植采用成骨诱导的兔骨髓基质细胞，构建骨软骨复合组织工程支架。最后，将支架在体外培养2周后，采用缝合的方式制成软骨与骨复合体，并将其植入兔股部肌肉中，8周以后发现异位形成骨软骨复合组织。针对关节面上大面积骨软骨缺损修复过程中软骨形态恢复和力学环境恢复困难的问题，设计并制造一种新型聚乙二醇(poly(ethylene glycol), PEG)/聚乳酸(poly(lactic acid), PLA)/β-磷酸三钙(β-tricalcium phosphate, β-TCP)仿生多材料复合增强骨软骨支架。基于CT扫描数据重建羊膝关节模型进行仿生多材料软骨支架的结构设计，包括多孔定制结构和固定桩及仿生结构；以光固化成形技术与真空灌注工艺相结合制造多材料复合增强骨软骨支架，确定灌注温度为220 ℃，真空度为- 0.08～- 0.10 Pa。形貌观测表明真空灌注工艺能使PLA完全充满整个次级管道，力学试验发现复合材料支架的压缩强度((21.25 ±1.15)MPa)约是单管道多孔生物陶瓷支架压缩强度((9.76 ± 0.64) MPa)的2.17倍，PLA固定桩的剪切强度((16.24 ±1.85) MPa)是陶瓷固定桩剪切强度((0.87 ±0.14)MPa)的18.7倍。因此，复合PLA的骨软骨支架具有显著的力学增强和固定能力，有望为大面积骨软骨缺损的修复提供新的治疗手段。

在国外，新加坡国立大学Dietmar 等[23]首先将PGA、PLA用作软骨细胞体外培养支架材料，通过组织工程方法获得新生软骨。

新加坡南洋理工大学 Yang 等[24]采用PCL和PCL 2HA复合丝作为原材料，采用FDM工艺制得外形尺寸为5 mm × 5 mm × 5 mm的支架，并且通过调整成形参数可以调整支架孔隙率，试验结果表明该成形支架具有很好的成活性与生物相容性。为了制造力学性能良好且具有高渗透性的支架，Sears 等[25]提出了一种开放的多材料打印方法，选用二甲基丙烯酸酯，利用其生物相容性、骨传导率和优良的抗压性能，进行骨移植。这种方法利用具有层次结构的孔隙度，并且用一层致密的聚层(主要成分为PCL)或PLA来进行强化。并且，他们提出了一种多模态印刷装置，结合浆料挤出和高温热塑性挤压，在双沉积中具有较高的位置精度。将这种新型的乳液油墨与传统的热塑性挤出印刷技术相结合，制造具有较高强度的支架，可促进细胞的活力和细胞的增殖。这项技术的发展使制造大量复杂的组织工程支架具有了广阔的前景。

4.2 人工髋关节成形材料

人工髋关节通常由股骨柄假体、股骨头假体、髋臼杯以及内衬假体组成，如图5所示。人工髋关节是根据人体髋关节的形态、构造以及功能进行设计并制成的仿人体髋关节假体[26]。它将股骨柄假体插入股骨髓腔内，同时使股骨头与髋臼杯假体形成旋转，达到改善髋关节功能的目的，让患者的股骨实现弯曲和运动。

图5 人工髋关节

1)人工髋关节对成形材料的基本要求。

人工髋关节是受力复杂的负重关节，同时承受拉力、压力、扭转和界面剪切力以及反复疲劳、磨损的综合作用，每年要承受100万～300万次循环的体质量载荷，并且由于其长期植入体内，要经受体液的腐蚀作用[27]。鉴于特殊的使用环境，人工髋关节所使用的成形材料要满足以下基本要求。

①生物相容性。生物组织相容性要求人工髋关节成形材料不能对周围组织产生毒副作用，人体组织对植入材料无排斥反应；生物力学相容性要求人工髋关节成形材料的弹性模量、强度和韧度与人的皮质骨相匹配；在负载情况下，髋关节假体与所接触的组织所发生的形变要彼此协调，并且植入期间假体材料与周围的骨组织结合良好，不发生松动和下沉。

②生物摩擦学性能。要求人工髋关节成形材料的磨损率低，磨损颗粒数量少且对人体组织无不良影响。

③抗腐蚀、耐疲劳性能。要求人工髋关节成形材料在人体环境中经受化学腐蚀和电化学腐蚀时不失效，在人体循环疲劳作用下不损伤。

④制备工艺和服役寿命。要求人工髋关节成形材料易于合成和制造，便于批量生产和质量检测，设计服役寿命应达到20 ～ 50年。

采用3D打印技术制作人工髋关节，所涉及的成形材料主要有金属材料、超高分子量聚乙烯材料和软骨组织材料。

2) 人工髋关节金属材料。

人工髋关节金属材料在髋关节置换中占有重要的地位，目前髋关节置换术临床应用最多的是金属关节头和超高分子量聚乙烯髋臼的组合，并且随着金属材料配方和制造工艺的改进，金属/金属关节副的组合越来越受到重视[28]。但是金属的弹性模量(100～200 GPa)与人体骨骼弹性模量(1～30 GPa)相差甚远，导致了应力遮挡效应，从而引起假体的疏松和不稳定；并且由于金属是生物惰性材料，植入人体后始终作为宿主的异体存在，容易变形和松动；另外在人体内的富氧环境中金属表面会形成2～5 nm 厚的氧化层，其在摩擦作用下容易脱落，在脱落部位金属假体释放金属离子和颗粒，一方面增大了磨损率，另一方面释放的金属离子具有潜在的毒性。这些缺点严重影响了金属型人工髋关节的长期服役效果。

3)人工髋关节软骨组织材料。

正常髋关节表面(股骨头的外表面和髋臼的内表面)覆盖有一层富有弹性的软骨。软骨表面十分光滑，可以很好地减少髋关节活动时股骨头与髋臼间的摩擦，使关节活动平顺自然。随着新技术、新材料的不断应用，人工髋关节的设计也更接近自然，但是由于人工关节表面没有软骨组织，磨损不可避免[29]。可利用生物3D打印技术，在髋臼内表面再生软骨，减少人工髋关节的磨损，延长使用寿命。

关节软骨由1%的软骨细胞和99%的软骨外基质组成，而基质又由胶原、蛋白多糖和水组成。关节软骨没有血管和淋巴管提供养分，且软骨细胞自身增殖能力有限，因而当关节受创或退化变性后，软骨细胞及基质的组成、代谢均发生相应变化，自身难以修复。组织工程化软骨是将自体或异体组织细胞在体外进行培养扩增后，接种到可降解的生物支架材料上，形成细胞-生物复合材料。将复合材料再回植到软骨缺损部位，随着时间的推移，生物支架材料逐渐降解，而组织细胞形成具有软骨功能的结构，从而达到修复缺损软骨的目的。除了种子细胞和活性因子外，生物支架材料对于修复的软骨的质量起到至关重要的作用[30]。

除需具有良好的力学、物理性能外，更重要的是生物支架需提供适于软骨组织再生的微环境。软骨细胞的支架材料分为天然生物材料和人工合成高分子材料。天然生物材料包括胶原、明胶、纤维蛋白、壳聚糖、藻酸盐、糖胺多糖等，它们具有良好的生物相容性和可降解性，但生物力学性能差，降解速度快。人工合成高分子材料包括聚乙烯醇、聚乳酸、聚氨酯、聚乙烯氧化物等，它们具有良好的生物相容性、无免疫原性且能根据需要调节降解速度，但吸水性差，细胞吸附能力弱，易引起细胞毒性、炎症反应。

目前软骨组织工程的研究重点是将上述几种材料配合使用，取长补短，并进一步改进制备工艺水平，提高支架的物理、化学性能，使其生物力学特性更加接近天然软骨组织。 Gong等[31]开发了一种水凝胶填充型多孔支架的技术，并用于软骨修复。研究表明当聚乳酸多孔支架和琼脂水凝胶复合后，其压缩模量达到 5.5 MPa，和天然软骨接近，大于单纯的聚乳酸多孔支架的压缩模量(2. 05 MPa)。手术后1个月，复合体系可以维持原来的宏观外形，软骨细胞在聚乳酸/琼脂复合支架中呈圆形或椭圆形并分泌Ⅱ型胶原和黏多糖；而软骨细胞在单纯的聚乳酸支架中已经明显呈纤维化。这些结果说明了琼脂/软骨细胞/聚乳酸支架复合体系可以有效地促进软骨组织的再生。由于纤维蛋白凝胶有良好的生物相容性，赵海光[32]又发展了纤维蛋白凝胶/聚乳酸多孔支架复合修复软骨的技术。体外细胞培养结果表明，在纤维蛋白凝胶/软骨细胞/聚乳酸支架复合体系中，软骨细胞呈天然的圆形或椭圆形，具备典型的软骨细胞特征且分泌大量的细胞外基质，细胞几乎充满整个多孔支架且分布均匀。

5 结束语

3D打印所涉及的材料因其成形工艺不同而千差万别。本文主要围绕异质零件3D打印成形所使用的各类成形材料进行阐述，较为详细地介绍了目前正在开展研究的多种异质材料的设计、制备及相应的研究进展。由于面向异质零件成形的多材料(如高分子材料、低熔点合金材料、陶瓷等)的研发当前尚处于初期，其设计技术、制备技术、材料性能和成形物性能的测试与评价等均未有成熟的技术路线，该类异质材料的研究将有助于人们掌握其本质及特性，更有利于异质零件的尽早工程化和产业化。