从学科发展的角度而言，3D打印已从传统的材料打印（如打印具有保护功能的器械）发展到用于组织修复和器官再生的细胞—材料打印，其功能也从单一的修复功能发展为治疗疾病或组织再生的功能。例如，在骨肿瘤手术中，3D打印将传统的生物陶瓷骨修复功能与光动力疗法相结合，以处理骨肿瘤手术后的早期肿瘤复发并加强对相关骨缺损的修复。3D打印曾用于生产多孔支架材料，以实现骨缺损再生的功能；目前3D打印主要应用于软组织，如皮肤和肌肉修复。科学家能通过3D打印制造结构复杂的心脏以及具有呼吸功能的肺泡。

3D打印过程中需解决以下关键问题：

第一，如何整合人体的复杂仿生结构及功能；

第二，如何从空间和时间上分布排列多个器官；

第三，能否根据疾病性质有效统一传统的组织再生和器官功能修复。

在仿生结构领域，3D打印生物陶瓷莲藕结构可有效引导细胞生长并促进颅骨再生。实际的组织或器官的结构非常精细复杂，它包括不同细胞的相应空间分布。如果能通过3D打印确定不同细胞的空间和时间排列，则能解决体内复杂器官的再生问题。在骨肿瘤等疾病治疗时，通过手术可切除大部分肿瘤，但切除以及术后恢复功能可能无法杀死全部残留的肿瘤细胞，而3D打印能为该问题提供一种解决方案。

虽然过去数年来已有研究者发表了多篇涉及这些领域的学术论文，但离实现真正的常规化临床医疗应用仍然有很长的距离。我国在利用3D打印实现骨组织再生方面作出了巨大努力。尽管必须考虑生物安全和伦理问题，但生物3D打印与组织工程学相结合有望解决具有复杂组织的材料细胞打印中面临的内部结构和内部功能难题。

未来主要从四个方面考虑3D打印原料的研发方向：

首先，3D打印要求使用粉末材料，这就对材料研发提出了新要求；

其次，3D打印医疗与材料的相结合，对相关材料的鉴别提出了新要求；

再次，当3D打印应用于医疗时，应当考虑材料的加工特性及可调控性；

最后，生物3D打印对不同材料和细胞的空间分布提出了更高的要求。

二、医用增材制造前沿技术的研发与应用

骨科植入物的形状、结构、设计和设备的性能取决于打印原理和工艺。打印设备的可重复性在制造过程中也需要考虑。

除了原料和3D打印设备外，还需重视增材制造中的以下关键工艺：加工具有不同工艺特征的多元复合材料；整合不同材料的非均一性（可能需要使用复杂的加工技术）；在多元材料加工中，不同材料的界面特性造成了材料之间的界面不稳定，使得成品的完整性受损；复杂多层结构的精密成型以及梯度的排列组合也是需要关注的重要难题；对于生物打印而言，活细胞被视为生物材料的一部分，所以维持打印后细胞的活性和功能也至关重要。

作为骨科材料的金属医用材料（如钛合金）在临床应用中存在难以逾越的问题。例如，这些材料的弹性模量较高，这可能引起应力遮挡效应和韧性不足的问题。聚醚醚酮（PEEK）是新一代的医用植入材料之一，其优点在于密度和模量接近天然的皮质骨，但缺点是热导率较低，同时利用3D打印生产聚醚醚酮器械的制造过程也遇到了急需解决的难题。我国工程师发明了用于3D打印的冷沉积工艺，该工艺通过设置喷管冷却率、冷却条件和其他参数来调控制备过程。该工艺可调控聚醚醚酮的结晶度并控制其结晶度的分子水平，以调控聚醚醚酮的机械性能。迄今为止，工程师们已使用3D打印的聚醚醚酮器械治疗了70多例临床病例，实现了从最开始的满足形状要求到满足性能要求的发展。但人工假体与宿主组织的整合是一项需要在未来的材料设计和制备过程中解决的任务。在材料设计中原则上应满足其预期功能，同时应整合制造工艺，以满足定制假体的功能要求。

生物组织的3D打印技术也被称为生物打印，该技术已用于将胚胎干细胞装配成球体，调整球体大小，并使干细胞分化形成胚胎。例如，生物打印可使干细胞沉积成球体，并诱导其成为肝细胞，以供药物测试。与传统模型相比，由生物打印技术构建的体外3D模型更接近人体，并且使用这种模型获得的结果能更真实地反映实际情况。在药物研发过程中，根据2D模型开展的实验往往不太准确且成功率较低，导致大量资源被浪费。生物打印可用于制作更接近人体的仿生模型，从而为生物发展、癌症研究和新药研发提供了卓越的工具。

文章来源：《心电图杂志(电子版)》 网址: http://www.xdtzzzz.cn/zonghexinwen/2021/0429/832.html