機械超材料：增材制造應用于生物醫療
來源： 極端制造
作 者：陳俊升1，陳繼兵1，王洪澤2，何亮3，黃博洋4，Sasan Dadbakhsh5，Paulo Bartolo4
機 構：1.武漢輕工大學2.上海交通大學3.四川大學4.新加坡南洋理工大學5.瑞典皇家理工學院
在全球老齡化趨勢的背景下，對生物材料的需求不斷增長，可以解決人口老齡化的醫療保健需求。生物材料在功能性植入物的制造中起著至關重要的作用，使患者能夠在疾病或損傷后恢復其形態和功能。近年來，機械超材料在生物醫學領域的應用有了很大的發展。這些超材料具有獨特的結構和性能，使它們能夠通過精確控制其微觀結構來實現特定的功能。
機械超材料的增材制造及其在生物醫學領域的應用已經成為一個新興的話題。然而，對這一研究的全面回顧一直缺乏。為了解決這一差距，本文系統概述了生物醫學領域增材制造及其超材料的最新進展（如圖1）。
近期，武漢輕工大學的陳俊升碩士生、陳繼兵副教授、上海交通大學的王洪澤教授，四川大學的何亮教授，瑞典皇家理工學院的Sasan Dadbakhsh教授以及新加坡南洋理工大學的黃博洋博士生和Paulo Bartolo教授，在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）期刊上發表了題為《Fabrication and development of mechanical metamaterials via additive manufacturing for biomedical applications: a review》的文章，綜述了生物醫療領域增材制造的應用等前沿進展，提出了基于生物仿生結構的超材料的發展思路（圖2），對生物醫療領域發展具有重要意義。
亮 點
1. 介紹了用于制造多孔生物醫學結構的各種增材制造技術；
2. 概述了從金屬材料、聚合物、陶瓷到活性細胞各類生物醫療材料；
3. 總結了從重復的晶格、TPMS到自然靈感的各種結構的設計；
4. 展望了增材制造生物醫學材料的未來應用前景和發展趨勢。
圖文解析
圖3展示了擠出增材制造技術在生物醫學領域的不同應用場景。圖3a基于擠壓的3D打印技術來打印軟半月板，該半月板是用由聚乳酸（PLLA）納米纖維、人脂肪源干細胞（hASCs）和海藻酸鹽水凝膠組成的納米纖維生物墨水打印的。這種含有納米纖維的生物墨水已被證明能夠實現更高的細胞增殖水平，并促進形成軟骨組織結構。圖3b展示了將具有大孔結構的HA支架植入山羊的腕骨和跖骨中。將人骨形態發生蛋白-2rhBMP-2添加到多孔支架后，填充骨組織的空隙百分比增加，并證實促進了愈合。圖3c是一種適用于皮膚組織修復的高孔隙率膠原支架的低溫繪圖方法。細胞的有效遷移和產生高度分化的角質形成細胞，同時證明了該支架具有極佳的生物相容性。
總結與展望
未來，生物打印作為一種特殊的增材制造技術，將能夠精確地工程化生物材料、生長因子和細胞，以實現復雜的組織結構。人工智能（AI）也將在推動這些技術的發展中發揮越來越重要的作用，通過優化生物打印結構和機械超材料的設計和功能。預計AI算法將根據微觀結構、生物打印參數和材料組成預測植入物的機械性能，以便優化細胞存活和功能。
作者簡介
陳俊升
武漢輕工大學
陳俊升，武漢輕工大學機械工程學院碩士研究生，師從陳繼兵副教授。主要研究方向為增材制造技術（3D打印），研究生期間在《Int. J. Extreme Manuf.》和《Trans. Nonferr. Metals Soc. China》等期刊發表SCI論文3篇。
陳繼兵
武漢輕工大學
陳繼兵，博士，副教授，碩士生導師。畢業于華中科技大學材料加工工程專業，主要從事金屬/復合材料增材制造技術（3D打印）、電子封裝技術、大功率器件可靠性等方向的研究工作，湖北省機械工程學會塑性工程專業委員會理事。以第一作者或通訊作者在國內外期刊如《Int. J. Extreme Manuf.》《Biofabrication》《J. Manuf. Process.》《Prog. Nat. Sci. Mater. Int.》等發表學術論文50余篇，其中被SCI和EI收錄論文近40余篇，申請專利70余項，其中授權發明專利12項，出版“十四五”普通高等院校機械類規劃教材3部，指導大學生參加國家/省級大賽獲得一等獎10余項，主持或參與國家級、省部級項目10余項,擔任《Progress in Natural Science: Materials International》和《Electronics and Signal Processing》期刊青年編委，還擔任《Rapid Prototyping Journal》《Materials》《Journal of Laser Applications》《Journal of Adhesion Science and Technology》和《Soldering & Surface Mount Technology》等10余種SCI期刊審稿人。
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