墨水兼容性对广义性3D打印的重要性

用于3D打印技术的墨水包括塑料、陶瓷、聚合物、金属、生物材料等，在这些材料中，ABS（acrylonitrile butadiene styrene）、PLA（polyactic acid）、Nylon、Bendlay、HIPS（polystyrene）、HDPE（polyethylene）、PP（polypropylene）是几种典型的可用于熔融沉积式3D打印的墨水［12］。由于墨水在打印时需要处于液态，所以选择合适的打印温度对于在工作过程中维持墨水流动性和确保打印效果至关重要，打印温度应高于墨水的熔点，表12.1列出了几种典型的材料墨水和对应的打印温度。

表12.1　几种典型的非金属墨水及其打印温度［12］

基于激光技术的增材制造是当前最为流行的金属打印技术，它可以用高熔点金属、陶瓷和金属复合材料（metal matrix composites，MMCs）打印3D结构，用于这种技术的墨水是熔点高于1 000℃的粉末材料，材料类型可以包括不锈钢［13，14］、钴铬合金［15］、镍基合金［16］、TiAl3/Al2 O3［17］、Ti3 SiC2［18，19］、TiC/Ti-Cu［20］、Al2 O3/Cu-O［21］等。与这些材料不同的低熔点金属尤其是室温液态金属（如镓基、铋基合金），由于其熔点常低于100℃（表12.2），可以和非金属、生物材料一起来进行低成本的终端物体一站式制造。

表12.2　典型液态金属墨水的熔点Tm，密度ρ和电导率σ

当用多种材料打印目标物体时，高熔点的墨水应首先实施打印以生成支撑结构，而后层层打印低熔点墨水材料。对于类生物材料如凝胶来说，还要考虑它的生物兼容性。

从生物角度来看，上面涉及的墨水属于非生物材料。随着3D打印研究的深入，生物材料已经逐渐发展成为生物打印墨水，这种技术主要用于制造组织工程结构件，打印过程包括滴蘸式打印、微细冲压加工、光刻法、激光书写、电子束打印、微流控技术、电镀、立体光刻法、微挤压、喷墨沉积法［30］。在最近发表的一篇回顾性文章中，细胞被认为是一种新型打印墨水。另外，生物活性成分、球状组织也可以看作是墨水材料［31］，使用这些墨水就可以制作各种生物结构，包括微血管、骨组织和仿生耳朵。(www.xing528.com)

Kucugul等［32］建立了一种计算机辅助算法来进行圆柱细胞聚集体和支撑结构（水凝胶）的3D打印，以形成大血管结构。为了对复杂精细结构进行模拟，Wu等［33］通过全方位打印方法在水凝胶中制作了一个微血管网络。这两种方法显示了3D打印优越的性能，未来的挑战将会是3D打印大血管结构和网络的结合。组织工程骨移植是另一种器官打印技术，D'Lima等［34］通过层层堆叠的方法在骨软质缺损中用软骨细胞和聚（乙二醇）酯支架打印了软骨结构，在对打印组织培养了几天之后，打印的结构看起来已经与周围组织（图12.2）整合在一起了。除此之外，一些研究者也试图打印完整的器官，Mannoor研究组［11］在人耳中用含有细胞的水凝胶3D打印了一个仿生耳朵（图12.3）。为了完善功能，打印结构中整合了一个由纳米银粒子和导电聚合物构成的缠绕体，值得指出的是，这个仿生耳朵能够识别从耳蜗形电极和听觉感知器所发出的电感耦合信号。

图12.2　生物打印软骨模拟结构原理［采用的打印墨水为含有细胞的聚（乙二醇）二甲基丙烯酸酯（poly（ethylene glycol）dimethacrylate，PEGDMA）悬浮液，插图为含细胞的聚乙烯凝胶的光学显微镜图像，比例尺为2 mm］［34］

当前，生物医学研究中的3D打印主要用于在体模型系统的制作，打印的组织和器官可以被用于仿生模型以研究组织工程、临床诊断、药学研究等。生物打印的未来目标是制造三维血管功能活体器官，以期用于临床植入和临床治疗，显然，所有的墨水材料（金属、非金属或生物材料）应该是相容的，这样才足以充分利用它们来打印出终端功能器件。

图12.3　通过增材制造技术制作的带有生物电子缠绕结构的仿生耳朵［11］

a.仿生耳朵的CAD图；b.包含有生物（软骨细胞）、结构（硅树脂）、电子功能材料（注入银纳米颗粒的硅脂）的仿生耳朵的光学图像（上），用于制造的3D打印机（下）；c.仿生耳朵的3D打印示意图。