第49卷2021年6月
第6期
第66-76页
材料工程
J o u r n a l o fM a t e r i a l sE n g i n e e r i n g
V o l.49
J u n.2021
N o.6
p p.66-76
领域的应用
3D p r i n t i n g a n d i t s a p p l i c a t i o n i n
t h e f i e l do fm e d i c i n e
刘宸希，康红军，吴金珠，曹宁宁，吴晓宏
(哈尔滨工业大学化工与化学学院新能源转换与储存关键
材料技术工业和信息化部重点实验室，哈尔滨150001)
L I U C h e n-x i,K A N G H o n g-j u n,WUJ i n-z h u,
C A O N i n g-n i n g,WU X i a o-h o n g
(M I I T K e y L a b o r a t o r y o fC r i t i c a lM a t e r i a l sT e c h n o l o g y f o rN e w
E n e r g y C o n v e r s i o na n dS t o r a g e,S c h o o l o fC h e m i s t r y a n dC h e m i c a l
E n g i n e e r i n g,H a r b i n I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,H a r b i n150001,C h i n a)
摘要:3D打印技术是一种快速兴起的新型数字化制造技术，因具有设计自由㊁大规模定制以及快速原
型制造等优点，在医学㊁航天㊁汽车㊁食品等领域应用前景广阔㊂随着精准化㊁个性化医疗需求的增长,3D打印技术逐渐被应用到医疗领域，如植入物制造㊁诊断平台和药物输送系统等，并成为目前较为前沿的研究领域之一，其个性化定制的特点使得3D打印技术能够根据患者的病情制备相应的医疗产品以帮助患者康复㊂因此，本文概述了3D打印技术的发展，分类介绍了可用于3D打印的医用材料，以及3D打印技术在医疗领域的应用㊂但是3D打印的植入物是静态的，无生命的，不能随着内环境的变化进行适应性调整,4D打印可以制造出具有 活性 且结构更为复杂的㊁与天然组织结构非常相似的工程化组织结构，其继承了3D打印技术优点的同时，弥补了现有3D打印的一些缺陷，未来在医学领域会有更广阔的应用前景㊂关键词:3D打印；医用材料；植入物制造；组织工程；药物输送
d o i:10.11868/j.i s s n.1001-4381.2019.001042
中图分类号:T B34文献标识码:A 文章编号:1001-4381(2021)06-0066-11
A b s t r a c t:3D p r i n t i n g a sa ni m p o r t a n t,f a s t-g r o w i n g m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y i st r i g g e r i n g m a j o r i n n o v a t i o n s i nm a n y f i e l d s,s u c ha sm e d i c i n e,a e r o s p a c e,a u t o m o b i l e a n d f o o d.T h em a i na d v a n t a g e s o f3D p r i n t i n g i n c l u d e d e s i g n f r e e d o m,m a s s c u s t o m i z a t i o n,w a s t e m i n i m i z a t i o n,a n d r a p i d p r o t o t y p i n g,e t c.T h e p e r s o n a l i z e df e a t u r e se n a b l e3D p r i n t i n g t o p r e p a r e p
r o d u c t sb a s e do nt h e p a t i e n t sc o n d i t i o nt o h e l p t h e p a t i e n tr e c o v e r.W i t h t h ei n c r e a s i n g d e m a n df o r p r e c i s i o n a n d p e r s o n a l i z e dm e d i c i n e,3D p r i n t i n g i s g r a d u a l l y b e i n g a p p l i e dt oi m p l a n tm a n u f a c t u r i n g,d i a g n o s t i c p l a t f o r m s a n dd r u g d e l i v e r y s y s t e m s.T h e r e f o r e,t h i s a r t i c l eo u t l i n e s t h ed e v e l o p m e n t o f3D p r i n t i n g t e c h n o l o g y,w h i c h i n t r o d u c e sm e d i c a lm a t e r i a l s t h a t c a nb eu s e d f o r3D p r i n t i n g,a n d t h e a p p l i c a t i o n o f3D p r i n t i n g t e c h n o l o g y i nt h em e d i c a l f i e l d.F i n a l l y,t h e c h a l l e n g e s a n dd e v e l o p m e n t p r o s p e c t so f 3D p r i n t i n g t e c h n o l o g y i n t h em e d i c a l f i e l d a r e s u m m a r i z e da n dd i s c u s s e d.
K e y w o r d s:3D p r i n t i n g;m e d i c a lm a t e r i a l;i m p l a n tm a n u f a c t u r i n g;t i s s u e e n g i n e e r i n g;d r u g d e l i v e r y
3D打印又称增材制造(AM)，是一种以三维(3D)模型数据为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，制造具有多级结构或复杂几何形状产品的技术[1]㊂作为一种快速发展且极具潜力的新型成型技术,3D打印技术在医学㊁航天㊁汽车和食品领域均具有广泛的应用㊂例如,3D打印膝关节半月板㊁心脏瓣膜，嫦娥四号卫星上搭载了多个3D打印铝合金构件,3D打印低速电动车,3D打印糖果㊁巧克力㊁寿司等㊂此外，在文化遗产保护和修复领域，也有3D打印技术的身影㊂例如，英国梅得斯通博物馆的研究
人员利用3D打印技术重塑了2500年前木乃伊的脸部；来自哈佛大学和牛津大学的研究人员将3D打印技术应用于修复被I S I S 组织摧毁的贝尔神庙等㊂
尽管3D打印技术应用范围很广，但是目前在生物医学领域的应用较多㊂1993年，麻省理工学院(M I T)获得基于喷墨打印原理的3D打印技术专利,
第49卷 第6期3D 打印技术及其在医疗领域的应用
此后M I T 一直走在生物3D 打印技术的前沿,
领军人物是R o b e r tL a n g
e r 教授㊂国外在此领域较为出的研究人员还有苏黎世联邦理工学院的A n d r e R.
S t u d a r t 教授，哈佛大学的J e n n i f e rA.L e w i s 教授，加州大学洛杉矶分校的A l i K h a d e m h o s s e i n i 教授和康涅狄格大学的S a v a sT a s o g
l u 教授等㊂我国在生物3D 打印领域的研究起步较晚,
但是发展十分迅猛㊂目前以清华大学颜永年教授和刘冬生教授，西安交通大学卢秉桓院士，上海交通
大学王成焘教授，浙江大学贺永教授和四川大学康裕建教授等为主要代表的科研团队，推动了我国医疗领域3D 打印技术的发展㊂本综述主要介绍了3D 打印技术在医疗领域的研
究进展，系统展示了可用于3D 打印医用材料以及3D
打印技术在医疗领域的应用㊂最后，我们总结了3D 打印技术在生物医学领域的应用前景和面临的挑战㊂1 3D 打印技术原理及分类
1986年,C h a r l e sH u l l [2]
在立体光刻工艺的基础
上开发了3D 打印技术㊂3D 打印技术的核心原理是
分层制造，逐层叠加 ，打印过程主要分为5个部分：一是设计，利用计算机辅助设计软件(S o l i d W o r k s
,A u t o C A D 和Z B r u s h 等)设计数字3D 打印对象;
二是保存，将设计好的3D 打印对象以3D 打印机可读文件格式保存，常见的通用文件格式有立体光刻(
S T L )文件和虚拟现实建模语言(V R M L )；三是导入，将保存好的文件导入到3D 打印机中；四是打印，针对原材料特性以及产品要求，选择合适的丝材，设置打印温度㊁
速度和压力等相关参数；五是后处理，打印结束后对产品表面进行处理㊂
作为快速成型技术，一台3D 打印机可以完成整烧烤箱
个制造过程，工艺更为简化㊂3D 打印技术适于小批量㊁具有复杂结构产品的生产，传统制造方式则专注于生产大规模㊁需要量产的部件，因此3D 打印技术与传统制造技术可优势互补，共同推进现代制造业向智能化㊁数字化与网络化制造转型㊂近年来,3D 打印技术不断发展，现已形成包括挤出成型㊁材料烧结和材料黏
合等多种类3D 打印技术,
如表1[3-11]所示㊂表1 不同种类的3D 打印技术[3
-11]
T a b l e 1 3D p r i n t i n g t e c h n o l o g y b a s e do nd i f f e r e n t p r i n c i p
l e s [
3-11
]
P r i n c i p
建筑隔墙l e T e c h n i c a l t e r m
P r i n t i n gp r o c e s s A p p
l i c a b l em a t e r i a l s E x t r u s i o n
p r i n t i n g
F u s e dd e p
o s i t i o n m o d e l i n g
(F D M )[3]T h et h e r m o p l a s t i c m a t e r i a l i s m e l t e da n dl a i d o nt h e b u i l d i n g p l a t f o r m l a y e r b y l a y e r u n t i lt h e o b j e c ti s f o r m e d P o l y c a r b o n a t e ,p o l y p r o p y l e n e ,p o l y
l a c t i c a c i d ,p o l y e s t e r ,w a xa n d p o l y
a m i d e ,e t c B i o p r i n t i n g [4
]
T h e b i o m a t e r i a li s e x t r u d e d f r o m t h e n o z z l e u n d e r p r e s s u r ea n dl a i dl a y e rb y l a y
e ru n t i lt h es c a
f f o l di s c o n s t r u c t e d A l
g i n a t e ,c
h
i t o s a n ,g e l a t i n ,C o l l a g
e na n d
f i b r i n ,e t c M a t e r i a l s i n t e r i n g
S e l e c t i v e l a s e r
s i n t e r i n g (S L S )[5]T h eh i g h -p o w e r l a s e rb e a m m e l t st h e p o w d e r m a t e r i a l a n d l a y s i t l a y e r b y l a y e r t o f o r mt h e o b j e c t P o l y a m i d e ,c e r a m i c s ,p
耐酸碱保护膜
l a s t i c s ,T h e r m o p l a s t i c p o w d e r ,m e t a l ,e t c E l e c t r o nb e a m
m a n u f a c t u r i n g
(E B M )
[6]E B Mi s s i m i l a r t oS L S ,e x c e p t t h a t h i g h -p
o w e r e l e c t r o n b e a m s a r e u s e d t om e l t p o w d e r p a r t i c l e s
T i t a n i u m ,c o b a l t c h r o m i u ma l l o y
,e t c S t e r e o l i t h o g r a p h y (S L A )
[7]T h e U V l a s e r b e a m s e l e c t i v e l y s o l i d i f i e s t h e p h o t o p o l y m e rr e s i nl a y e rb y l a y e r ,b u i l d i n g i tu p i n s e q u e n c eu n t i l t h e o b j
e c t i s
f o r m e d P h o t o p o l y
m e r s ,p l a s t i c s ,g l a s s ,c e r a m i c s a n d e p o x y r
e s i n s ,e t c C o n t i n u o u s l i q u i d i n t e r
f a c e p r o d u c t i o n (C L I P )[8]C L I P i ss i m i l a rt oS L A ,e x c e p tt h a t U Vl i
g
h t p a s s e s t h r o u g h t h e b a s e o f t h e r e s
i n t os o l i d i f y as p
e c i
f i c a r e a ,a n dt h e p r i n t i n gp l a t f o r mi s l i f t e du p t
oc r e a t et h e3D p r i n t e do b j e c t P h o t o p o l y
m e r M a t e r i a l b i n d i n g
B i n d e r j e t t i n g
/i n k j
e t [9]
T h e l i q u i db o n d i n g m a t e r i a l i s s e l e c t i v e l y d r i p p e d i n t oa s p e c i f i c a r e ao f t h e p o w d e r l a y e r u n t i l t h e f i n a l o b j e c t i s f o r m e d
S t a r c h ,h y d r o g
e l ,w a t e r (b i n d e r )a n d g y p
s u m (p o w d e r b e d ),e t c P o l y j
e t [10]P o l y j e t i s s i m i l a r t o i n k j e t ,b u t t h e p h o t o p o l y m e r l i q u i d i s l a y e r e do n t ot h ec o n s t r u c t i o n p l a t
f o r m ,w h e r e U V l i
g
h tm a k e s
i t i n s t a n t l y s o l i d i f y
P o l y p r o p y l e n e ,p o l y s t y
r e n e ,p o l y
c a r b o n a t e ,e t c L a m i n a t i o n
L a m i n a t e do b j
e c t m a n u
f a c t u r i n g
(L OM )
[11]T h e l a y e r so fa d h e s i v ec o a t e d m a t e r i a l a r es u c c e s s i v e l y g l u e d t o g e t h e r a n d l a s e r c u t i n t o t h e d e s i r e d s h a p e T i s s u e p a p e r ,p o l y v i n y l c a p
r o l a c t a m ,p
l a s t i c a n dm e t a l l a m i n a t e ,e t c 7
6
材料工程2021年6月
23D打印用医用材料
虽然人体具有强大的再生能力，但是不同组织的
再生能力并不相同㊂细胞的再生能力受到组织类型㊁
生长激素和物理尺寸等因素的影响，一旦组织损伤超
过其自修复限度，就需要外部支持来帮助其完成修复
过程㊂一般将外界干涉支持组织再生的方法称为组织
工程(T E)[12]㊂构建组织工程人工器官需要三个要素，即种子细胞㊁支架材料和细胞生长因子，而支架材 料作为组织工程的三要素之一，需要具有良好的生物
相容性和一定的机械强度，其内部结构会影响细胞活
性和细胞增殖㊂患者的病情各异，需要根据具体情况
定制不同结构的支架，传统的制造方法难以满足这种
个性化定制需求㊂3D打印技术的出现为患者带来了福音，它可以提供个性化定制服务，制造具有复杂结构的支架，并大幅提高支架的性能㊂用于3D打印的医用材料需要具备良好的生物相容性㊁可控的降解速率以及形态学上与体内组织相似等特性㊂根据材料的化学性质，用于3D打印的医用材料大致分为金属㊁陶瓷和聚合物等㊂
2.1金属基生物材料
金属基生物材料主要包括钛(T i)基金属生物材料和钴(C o)基金属生物材料㊂T i基金属生物材料因具有优异的生物相容性㊁抗疲劳性㊁耐腐蚀性和高比强度等特性，被广泛应用于生物医学领域[13]㊂
T i基金属生物材料作为承重植入物时需要与人体组织之间建立完美的结合㊂前期研究表明，随着时间的推移,T i基金属生物材料可能被坚硬的组织层包围，限制其发挥作用；此外由于应力屏蔽效应，使得
传统的T i64植入物出现与人骨机械性能不匹配的状况[14]㊂利用3D打印技术对T i基金属生物材料进行表面改性不仅能够改善其表面磨损性能，还能制造多孔和分级结构以增强骨整合㊂Z h a o等[15]利用电子束熔融(e l e c t r o nb e a m m e l t i n g,E B M)技术制备分级T i-6A l-4V网状结构，获得了具有低密度㊁高疲劳强度和可生物吸收等优点的 硬-软 梯度细胞结构，这种结构可优化组织生长，并在特定区域承受不同程度的机械应力，其性能均优于均质金属细胞结构㊂
尽管3D打印钛基金属植入物是应用最广泛的植入物之一，但其杨氏模量与骨骼的杨氏模量不匹配所引起的应力屏蔽效应是目前钛基金属材料存在的主要问题之一㊂未来，仍需探索更多的钛基金属材料处理策略，开发出生物相容性好和综合性能较优的新型医用钛基金属材料，进而有效地增强3D打印支架的骨整合能力㊂
钴基金属生物材料强度较高且耐磨，在医疗领域
主要用于制备承重植入物㊁牙科植入物[16]以及整形外科重建手术中的辅助工具[17]等㊂C o基金属生物材料的高刚度特性易引发应力屏蔽效应，因而限制了其在
生物医学领域的应用㊂为减少C o C r合金的应力屏蔽效应,S h a h等[18]利用E B M技术制备了具有互连开孔结构的C o C r植入物，并将其植入骨缺损的绵羊体内㊂结果表明C o C r植入物的多孔网络结构中存在较高的骨细胞密度，证实了多孔C o C r构建体中骨向内生长的可能性㊂
对C o C r合金进行表面改性处理可增强其耐腐蚀性能，进一步拓宽其应用范围㊂W a n g等[19]利用激光抛光技术对3D打印C o C r合金支架进行表面处理，处理后的C o C r合金组件耐腐蚀性得到显著提高，可防止由其制备的牙科植入物在口腔中被腐蚀，进而释放毒性物质[20]㊂这一探索对于制备在口腔修复学中应用的牙科植入物提供了新思路㊂
目前,C o C r合金是应用较多的钴基金属材料之一，其主要用于制备牙科植入物㊂在未来，需要探索利用不同的加工方法，或是在C o C r支架中掺杂其他物质，来减少C o C r合金支架应力屏蔽效应的可能性，进而促进骨整合过程，拓宽其应用范围㊂此外，还需寻更为适合的表面处理方法以避免C o C r合金被腐蚀后释放有毒物质，以防止其对人体造成伤害㊂
2.2生物陶瓷材料
生物陶瓷材料在3D打印应用中的历史相对短一些，限制其应用的主要原因在于生物陶瓷的加工比较困难㊂生物陶瓷材料一般用于制备牙齿和骨骼植入物，利用3D打印技术制造精度更高的生物陶瓷牙齿和骨骼植入物，可满足患者对骨骼和牙齿更换的特殊需求㊂目前使用较多的生物陶瓷材料主要是磷酸钙(C a P)和生物活性玻璃(B G)㊂
C a P陶瓷材料，包括偏磷酸钙㊁正磷酸钙和焦磷酸钙[21]等㊂C a P与天然骨和牙齿的组成相似，具有优异的生物相容性，是使用范围较广的生物陶瓷材料㊂C a r r e l等[22]通过3D打印技术制备了多孔
块状磷酸三钙和羟基磷灰石，将其填充到钛半球中，植入绵羊体内㊂取出后测试其中的新生骨量，数值是填充颗粒牛骨和颗粒磷酸三钙的钛半球的1.8倍㊂与现有骨替代物相比，在绵羊颅骨模型植入多孔块状磷酸三钙和羟基磷灰石后可增强垂直骨生长，其受控的多孔结构可促使骨床上生成更多的骨，表明这种支架可有效促进骨合成过程㊂
此外，陶瓷基复合材料植入物引起了学者们的广
泛关注㊂J a k u s等[23]在羟基磷灰石中掺杂聚己内酯
86
第49卷 第6期3D 打印技术及其在医疗领域的应用
(或聚乳酸)制得了一种新型生物材料 超弹性 骨 (H B )(图1)㊂实验证明,3D 打印的H B 脊柱融合模型不会引起免疫反应，可与周围组织快速整合并支持新骨生长㊂H B 克服了以往骨科植入物易引起免疫反应或其他不良生物学反应的缺陷，且在结合3D 打印技术后植入体内时能够准确定位，减少了手术操作时间
㊂
图1 3D 打印H B 脊柱融合模型和实物图[
尼龙抛光轮
23]F i g .1 3D p r i n t e dH Bs p
i n a l f u s i o nm o d e l a n d p r o d u c t s [23]
生物活性玻璃(B G )是一种以N a 2O ,C a O ,S i O 2和
P 2O 5等为基本成分的硅酸盐玻璃,
因其具有更为优越的力学性能，可有效地促进体外和体内成骨[
24-26]
㊂在临床上,B G 主要用于制备整形外科和颌面外科的假体,B G 颗粒可替代传统的骨移植来慢性骨髓炎㊁
软组织缺损[27]和伤口[28]等㊂Z h a n g 等[29]以B
G 和锶(S r )为原料，利用3D 打印技术制备了含S r 中孔生物
活性玻璃(S r -M B G )支架㊂S r -M B G 支架具有均匀的相互连接的孔㊁高孔隙率和良好的磷灰石形成能力，可刺激成骨细胞增殖分化㊂
对M B G 支架进行表面改性可进一步增强其生物
学性能㊂Z h a n g 等[30
]制备了含有分级孔结构和功能性表面涂层的M B G -β
-T C P 支架，具有高抗压强度和优异的磷灰石矿化能力㊂M B G -β-T C P 支架可增强体内新骨形成能力和人脐静脉内皮细胞的附着，使得血管生成基因表达显著增强㊂表明利用M B G 纳米层修饰的3D 打印支架可有效改善支架的生物学性能，这是一种改善支架内骨形成情况的新策略㊂
虽然B G 具有良好的生物活性和骨传导性,
但是B G 固有的脆性限制了其在临床医学中的应用[3
1]
㊂通过在B G 材料中掺入其他可生物降解的聚合物来制备B G 复合材料,
可有效改善其性能，满足更为广阔的应用需求㊂
2.3 天然聚合物
天然聚合物，例如，壳聚糖㊁聚乳酸和透明质酸等,
具有良好的生物相容性㊁生物降解性，应用于生物体内
时可避免免疫原性反应[32]
，故被广泛用于组织工程和
再生医学中㊂
2.3.1 壳聚糖
壳聚糖是一种天然聚合物，具有良好的生物降解
性㊁生物相容性和可再生性[
33
]
㊂壳聚糖链上的氨基质子化后具有可溶性，可溶性的壳聚糖应用比较广泛，例
如，制备T E 支架㊁
生物传感器和药物输送[34]
等㊂在以往的研究中，已经证实炎症反应在组织修复
中十分关键，恶性的炎症反应可能导致人体对植入物产生免疫排斥反应㊂因此，在选择植入物时，需要将可
能的炎症反应考虑在内㊂A l m e i d a 等[35]通过3D 打印
技术制造出一种壳聚糖支架，来探究人体单核细胞/巨噬细胞在支架上的炎症反应㊂实验结果显示壳聚糖支架具有更大的孔隙结构，可显著地促进促炎症细胞因子的分泌，进而抑制一些可能的炎症反应，表明在制造植入物支架时选择具有适合的表面特性和几何形状的生物材料是至关重要的㊂
壳聚糖本身优异的生物学性质，使其不仅可用于制备植入物支架，还可作为抗菌剂对其他支架进行表
面改性处理以避免可能的炎症反应㊂M a n i a 等[3
6]
在聚乳酸中掺杂壳聚糖制得了可用于熔融沉积成型
温玉理疗床(f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g
,F D M )工艺的3D 打印抗菌长丝㊂通过与不含壳聚糖的支架进行对比分析发现，支架本身并不杀菌或抑菌，但是引入壳聚糖后，壳聚糖对金黄葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性均十分显著㊂因此，利用壳聚糖对3D 打印支架进行表面改性将是一种有效的抑菌手段㊂基于壳聚糖良好的生物
特性和优异的抗菌性能[37]
，其被植入人体后可避免可
能的炎症反应，但壳聚糖支架的力学强度并不理想，因而需要探索壳聚糖与其他物质复合制备组织工程支架的方法，以期满足更多的医疗需求㊂
2.3.2 聚乳酸
聚乳酸(P L A )是一种天然聚合物，具有优良的力学性能㊁可降解性和生物相容性，广泛应用于组织工
程㊁药物输送和伤口愈合[38
]㊂P L A 可通过酯键水解
降解，无需酶催化，且降解产物乳酸是人体代谢循环中
存在的物质[39]
，使得P L A 成为3D 生物打印领域极具
潜力的原料之一㊂
通过控制P L A 支架的结构和可控孔隙形状等相
关参数可制备出符合性能要求的骨科植入物，图2列
举了一些3D 打印产品的微观图和实物图㊂F a i r a g
等[40]
利用3D 打印技术设计并制造了具有不同孔径的
微孔P L A 支架㊂使用原代人成骨细胞比较支架上细胞生长㊁活性和骨样组织形成情况(图2(a
))，实验结果显9
6
材料工程2021年6月
示，成骨细胞的增殖㊁代谢活性和骨基质蛋白质的产生情况均十分良好，表明P L A支架本身也能作为骨替代物来修复大段骨缺损㊂可定制P L A骨螺栓推入骨缺损处，从而允许骨髓干细胞渗透㊁黏附㊁增殖并形成新骨㊂聚乳酸因具有优异的可生物降解吸收性能而备受关注，但是其与细胞的亲和性较低，是限制其在组织工程中应用的主要因素之一㊂因此需要寻合适的改性方法，改善聚乳酸材料表面的亲水性，使其成为一种理想的组织工程材料㊂
2.3.3透明质酸
锚透明质酸(H A)是一种广泛存在于结缔组织㊁上皮组织和神经组织中的天然糖胺聚糖，因其具有天然黏弹性㊁生物降解性和生物相容性，被认为是一种理想的骨组织工程支架材料[41]㊂
L a m等[42]以基于甲基丙烯酸化透明质酸(H AMA)的生物墨水(b i o i n k)为原料，利用立体光固化成
型(s t e r e ol i t h o g r a p h y a p p e a r a n c e,S L A)技术制备了软骨细胞密度不同的软骨模型(图2(b))㊂研究显示软骨分化模式受细胞密度的影响，高细胞密度可增强软骨典型的带状分割，形成细胞外基质(E C M)的软骨细胞主要分布在表面区域，但在靠近载体膜的更深区域中也有少量分布㊂H AMA打印的体外软骨模型，可用于关节软骨缺损的㊂
透明质酸也可作为一种辅助工具来帮助实现预期效果㊂例如，制备功能性生物链以响应药物过程㊂M a z z o c c h i等[43]将H A与胶原蛋白Ⅰ的复合产物用于打印含有原代人肝细胞和肝星状细胞的3D肝组织构建体，结果证明甲基丙烯酸化的Ⅰ型胶原和硫醇化H A可用于打印简单的生物链，支持肝细胞的生长，使其能够存活两周并适当地响应药物，这一发现有望将其用于肝病的㊂
尽管在3D打印医学领域，对H A的探索起步比较晚，但是H A相关产品的发展十分迅速㊂H A参与伤口自愈合过程的特性，赋予了相关支架潜在的抑菌能力㊂此外，通过交联反应，与其他物质复合等可进一步改善其性能，进而拓宽其应用范围㊂
2.4合成聚合物
3D打印的医学支架最终将应用于人体，因而生物相容性是一种材料是否适用于植入体的基本要求㊂此外，植入材料必须无细胞毒性㊁诱变性㊁致癌性，且不致引发过敏㊂目前可用于医疗领域的合成聚合物种类较少，主要集中于水凝胶㊁聚己内酯和聚醚醚酮等具有生物相容性的合成聚合物㊂
2.4.1聚己内酯
聚己内酯(P C L)是一种常见的聚合物，具有优异的生物相容性和生物降解性，由于酯键水解,P C L在人体体液中可缓慢降解，完全降解产物为二氧化碳和水[44]㊂此外，由于其优异的加工性能，在3D打印领域有着广泛的应用㊂
K a w a i等[45]以P C L和磷酸三钙为原料，利用3D 打印技术制备了功能梯度支架(F G S)，所得F G S具有可控的孔隙率㊁生物降解性和一定的机械强度㊂将F G S植入到兔股骨颈和头部钻孔的骨隧道中，植入8周后取出，显示F G S支架上新骨向内生长，有含骨髓的骨形成，验证了F G S支架用于早期股骨头坏死的可能性㊂
此外，科研人员对P C L复合材料高度关注㊂例如,H o等[46]利用3D打印技术制备了孔结构受控的B i o d e n t i n e(B D，主要成分为硅酸钙)/P C L复合支架, B D/P C L支架具有良好的磷灰石形成能力，并且能够支持人牙髓细胞的增殖和分化，证明其是一种有潜力的牙科植入物㊂
P C L优异的生物学性能㊁无毒的降解产物等优点使其在生物医学领域有着广泛的应用，但是仍存在一些缺陷㊂例如,P C L的熔点和分解温度较低，一般的加工方法并不适用，而且P C L的强度较低，所制备的支架力学性能不足㊂因此，需要探索不同的改性方法来提高P C L 材料的生物学性能，使其更好地满足医疗需求㊂2.4.2水凝胶
水凝胶的高含水量和力学特征与天然细胞外基质相似，因此水凝胶支架可用于模拟体内细胞环境，帮助建立细胞间㊁细胞与胞外基质间的联系[47]㊂在基于挤出水凝胶的3D打印成型方法中，对材料黏度的要求比较严格㊂挤出时，材料需要较低的黏度以便挤出，而沉积时，材料的黏度要足够高以防止材料在凝胶时分散，且在细胞培养过程中，水凝胶的力学性能不能随时间改变㊂现有的3D打印技术虽然可以通过调整材料来达到这些要求，但是这一过程往往是以牺牲细胞的活性为代价的[48]㊂鉴于此，学者们对水凝胶进行了许多尝试，以期打破现有局限㊂
W a n g等[49]在透明质酸水凝胶中添加了腙化物，制备了由动态共价化学腙键组装的透明质酸水凝胶，这种水凝胶具有剪切稀化和自修复特性[50]，意味着它可以满足3D打印不同阶段对水凝胶黏度的要求，且在打印完成后可长时间定型㊂将细胞包封在水凝胶中后打印，结果显示支架中细胞的存活率与打印前细胞的存活率相当(图2(c))，证明3D打印构建体中细胞的活性与非打印构建体中细胞的活性没有差异，突破了以往3D打印水凝胶支架力学性能与细胞活性不能兼得的限制㊂在水凝胶中添加促进细胞增殖分化的物
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