生物材料在3D打印中的應(yīng)用

3D打印正由工業(yè)化用途越來越趨向于民用化用途。對(duì)于耗材，人們要求它更環(huán)保，更健康，而生物材料恰恰可以滿足這種需要。生物材料正火熱地應(yīng)用于3D打印，而且不同的3D打印工藝，對(duì)生物材料的選擇也有所不同。我們一起看一下如何為熔融沉積成型（FDM）、光固化立體成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）以及層片疊加成型（LOM）等3D打印加工工藝選擇適宜的生物材料。

生物材料品種很多，其分類方法也很多。生物材料包括金屬材料（如堿金屬及其合金等）、無機(jī)材料（生物活性陶瓷，羥基磷灰石等）和有機(jī)材料三大類。有機(jī)材料中主要是高分子集合物材料，高分子材料通常按材料屬性分為合成高分子材料（聚氨酯、聚酯、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸乙醇酸共聚物及其他醫(yī)用合成塑料和橡膠等）、天然高分子材料（如膠原、絲蛋白、纖維素、殼聚糖等）。

不同生物材料各有千秋
聚乳酸（PLA）是FDM使用最常規(guī)并且用量最大的耗材，具有優(yōu)良的力學(xué)性能、加工成型性、透明性、尺寸穩(wěn)定性、可降解性和生物相容性。但是純PLA韌性較差、脆性高，成型制品易碎裂，不耐熱。目前有大量的研究人員在進(jìn)行PLA改性的研究，PLA基材的3D打印耗材歷久彌新。

聚乙烯醇（PVA）是一種生物降解的合成聚合物，其最大的特點(diǎn)就是它的水溶性。它通常在3D打印過程中作為支撐材料使用，在打印過程結(jié)束后，支撐部分能在水中完全溶解。有效解決了打印懸空問題，同時(shí)又避免了后處理的麻煩，與PLA耗材堪稱完美配合。

易生研發(fā)人員通過以低聚物乳酸多元醇、異氰酸酯等為主要原料，經(jīng)平行雙螺桿擠出機(jī)合成不同硬段含量不同分子量的生物可降解TPU，也成為近年來熱門的3D打印耗材。

該生物可降解TPU具有高伸長、高強(qiáng)度、低回彈、透明度高、生物降解性好等特點(diǎn)，并且生物基聚乳酸多元醇的含量越高，其降解速率越快；生物基聚乳酸多元醇分子量（1000-4000）越大，其降解速率越快。此產(chǎn)品用來做PLA的增韌劑具有優(yōu)異的增韌效果。同時(shí)，也可單獨(dú)制作成3D打印耗材。

生物基TPU-3D打印耗材打印樣品。
金屬材料及無機(jī)材料則一般用于SLS中，利用粉末狀材料在激光照射下燒結(jié)，在電腦控制下按照介面輪廓信息進(jìn)行有選擇的燒結(jié)，層層堆積。目前成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉，用金屬粉或陶瓷粉進(jìn)行燒結(jié)的工藝還在研究之中。

聚己內(nèi)酯（PCL）具有超低的玻璃化溫度Tg（約-60℃），因此在室溫下呈橡膠態(tài)。熔點(diǎn)59-64℃，具有低溫?zé)崴苄?。?D打印中，由于它熔點(diǎn)低，所以并不需要很高的打印溫度，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

同時(shí)，由于聚己內(nèi)酯的熔點(diǎn)低，它可以有效讓人員在操作時(shí)避免燙傷，并越來越多地應(yīng)用于3D打印筆。另外，因?yàn)槠渚哂行螤钣洃浀奶匦?，它使得打印出來的東西具有“記憶”，在特定條件下可以使其恢復(fù)到原先設(shè)定的形狀。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用來打印心臟支架等。

此外，生物基光敏樹脂也常應(yīng)用于光固化快速成型中。它主要是一類由低聚物、單體、光引發(fā)劑、助劑混配制成的樹脂。它能在較短時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)生物理和化學(xué)變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)交聯(lián)固化。其優(yōu)點(diǎn)在于成型精度極高、品質(zhì)好；成型物體表面光滑且成型速度快。

3D打印與傳統(tǒng)工藝互補(bǔ)
在傳統(tǒng)制造業(yè)領(lǐng)域，工藝已經(jīng)發(fā)展成熟，新時(shí)代的個(gè)性定制的需求也越來越明確，傳統(tǒng)工藝已經(jīng)非常難以滿足新時(shí)代發(fā)展的需要，3D打印作為新的制造成型理念，同傳統(tǒng)行業(yè)形成了很好的互補(bǔ)，在有些特殊領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，3D打印更能發(fā)揮它的定制優(yōu)勢(shì)。對(duì)于開發(fā)者來說，3D打印可以讓其頭腦中天馬行空的想法成為現(xiàn)實(shí)。

編輯：南極熊
作者：董成良 楊義滸（深圳光華偉業(yè)股份有限公司 ）