【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 以吃的，你使用塑料、石膏等材料打印的只能是面包的模型。然而關(guān)于3D打印的耗材并不廣泛，從3D打印的原理來說，3D耗材的擴(kuò)展，決定了3D打印機(jī)的能力邊界。目前主要為塑料絲、金屬絲、石膏粉等，這些材料無論是在精度和應(yīng)用范圍來說，讓目前的3D打印機(jī)還停留在模型的制造上，它的更大價(jià)值還沒有完全發(fā)揮出來。耗材問題難以解決 幾乎每一項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用，都會(huì)經(jīng)歷很長(zhǎng)的市場(chǎng)培育期。3D打印技術(shù)雖然已有近20年的發(fā)展歷程，但仍存在缺陷。耗材的局限性是3D打印不得不面對(duì)的現(xiàn)實(shí)。目前，3D打印的耗材非常有限，現(xiàn)有的市場(chǎng)上的耗材多為石膏、無機(jī)粉料、光敏樹脂、塑料等。如果真要“打印”房屋或汽車，光靠這些材料是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。比如最重要的金屬構(gòu)件，這恰恰是3D打印的軟肋。耗材的缺乏，也直接關(guān)系到3D打印的價(jià)格。打印一件飛機(jī)零部件，某種樣品的金屬粉末耗材一斤就要賣4萬元，所以3D打印樣品至少要賣2萬元。但是，如果采用傳統(tǒng)的工藝去工廠開模打樣，幾千元就可以做到?！庇捎?D打印工藝發(fā)展還不完善，特別是對(duì)快速成型軟件技術(shù)的研究還不成熟，目前快速成型零件的精度及表面質(zhì)量大多不能滿足工程直接使用，不能作為功能性部件，只能做原型使用。以Stratasys公司3D打印車為例，車子固然能“打印”出來了，但是否能在路上順利跑起來？使用壽命又有多長(zhǎng)？從現(xiàn)有的技術(shù)來看，恐怕有點(diǎn)夠嗆：由于采用層層疊加的增材制造工藝，層和層之間的粘結(jié)再緊密，也無法和傳統(tǒng)模具整體澆鑄而成的零件相媲美，這意味著在一定外力條件下，“打印”的部件很可能會(huì)散架。（三）3D打印材料前景 3D打印未來最賺錢的部分之一：材料。美國(guó)巨頭3D System測(cè)算，未來3年，材料部分將成為3D行業(yè)最大的利潤(rùn)來源。目前《國(guó)家增材制造發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（20142020年）》（征求意見稿）已初步制訂完成，年內(nèi)將會(huì)出臺(tái)。國(guó)家對(duì)3D打印的發(fā)展目標(biāo)包括：到2017年初步建立增材制造（俗稱“3D打印”）技術(shù)創(chuàng)新體系，培育5至10家年產(chǎn)值超過5億元、具有較強(qiáng)研發(fā)和應(yīng)用能力的增材制造企業(yè)；并在全國(guó)形成一批研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化示范基地等。在政策措施上，國(guó)家將加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo)，加強(qiáng)財(cái)政支持力度，并支持3D打印企業(yè)境內(nèi)外上市、發(fā)行非金融企業(yè)債等融資工具。在3D打印的重點(diǎn)發(fā)展方向上，征求意見稿擬定了五大方向：一是金屬材料增材制造，包括針對(duì)航空航天，核電、能源等機(jī)械零部件直接制造需求，研制鈦合金、高溫合金等金屬材料；二是非金屬材料增材制造；三是醫(yī)用材料增材制造，例如針對(duì)牙齒、假肢、手術(shù)導(dǎo)板、手術(shù)輔助器械等方面需求，開發(fā)醫(yī)用外部矯形器械專用材料等；四是設(shè)計(jì)及工藝軟件；五是增材制造裝備關(guān)鍵零部件。 據(jù)了解，3D打印的巨大市場(chǎng)前景也吸引著眾多企業(yè)。目前僅在國(guó)內(nèi)資本市場(chǎng)上，涉足3D打印的上市公司數(shù)量也多達(dá)二、三十家。而據(jù)中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)據(jù)，2013年全球3D打印市場(chǎng)規(guī)模約40億美元，中國(guó)市場(chǎng)規(guī)模約達(dá)20億人民幣。也有機(jī)構(gòu)樂觀預(yù)測(cè)，未來幾年，中國(guó)大陸3D打印市場(chǎng)每年將至少以1倍以上的速度成長(zhǎng)，規(guī)?；?qū)⑦_(dá)到百億元。（四）3D打印材料市場(chǎng)價(jià)值分析 近年來,隨著3D打印概念及應(yīng)用的逐步普及，3D打印材料也面臨著大幅度的市場(chǎng)需求。一份調(diào)研報(bào)告顯示，過去一年，全球3D打印市場(chǎng)為8億美元，預(yù)計(jì)2025年，全球3D打印市場(chǎng)將達(dá)到80億美元。　　此前，3D打印被稱為快速成型技術(shù)，而這一名稱將被替換為增材制造。從1980年代3D打印開始商業(yè)化之旅，其增長(zhǎng)發(fā)展就比較緩慢。在其后的2009年，關(guān)鍵技術(shù)專利失效，市場(chǎng)上主要產(chǎn)品則被低價(jià)的熱塑性塑料擠壓機(jī)所占領(lǐng)，而后，市場(chǎng)則被熱塑性纖維助推器所占領(lǐng)。，其后在2025年則將達(dá)到10億美元市場(chǎng)?！　‘?dāng)下，3D打印不像之前只能被用于一次性設(shè)備，而是用于成品制作以簡(jiǎn)化裝配，加快設(shè)計(jì)迭代，放大設(shè)計(jì)自由，提供定制化服務(wù)并降低材料耗損浪費(fèi)。因此，3D打印在航空航天、醫(yī)療整形、珠寶、骨科等部門較為常見。3D打印材料并不千篇一律　　3D打印技術(shù)的發(fā)展讓更多的各種各樣的材料被用于其中。不同于他們的傳統(tǒng)模擬生產(chǎn)，此篇分析報(bào)告概述了印刷在不同材料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),每個(gè)應(yīng)用程序,和技術(shù)數(shù)據(jù)的屬性。在市場(chǎng)價(jià)值和數(shù)量方面的排序大致如下: 　o感光性樹脂　　o熱塑性纖維　　o熱塑性粉末　　o金屬粉末　　o沙和粘結(jié)劑　　o焊絲　　o石膏這七個(gè)關(guān)鍵材料市場(chǎng)總價(jià)值預(yù)計(jì)將從8億美元增長(zhǎng)到超過80億美元。而這份材料目錄將隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展而不斷擴(kuò)充：　　o導(dǎo)電材料　　o硅膠　　o生物材料　　o碳纖維　　o風(fēng)化層　　o陶瓷　　o石墨烯行業(yè)應(yīng)用地理化差異許多關(guān)鍵金屬打印機(jī)制造商和主要客戶都在給歐洲,因此，歐洲地區(qū)在金屬粉末購買市場(chǎng)占有絕對(duì)市場(chǎng)份額。愛好者市場(chǎng)還沒有真正開始，所以亞洲的熱塑性塑料銷售小于在北美或歐洲。另外，材料的銷售增長(zhǎng)率因地區(qū)不同也有很大不同。（5） 國(guó)內(nèi)外醫(yī)用打印材料和臨床應(yīng)用相關(guān)動(dòng)態(tài)悉尼大學(xué)與上海醫(yī)院共同研制出醫(yī)用3D打印新材料 2014年10月10日，悉尼大學(xué)在上海宣布，該校教授HalaZreiqat已研究出一種骨骼置換的新材料，其堅(jiān)固程度是目前普遍使用材料的100倍。目前，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了這種新材料的3D打印，以確保為不同病患做出準(zhǔn)確的骨骼形狀。悉尼大學(xué)已和上海市第九人民醫(yī)院合作，共同研究使用新材料的方法。在臨床上，傳統(tǒng)的骨骼修復(fù)材料一般使用的是金屬。而目前也有一些合成的替換材料可供使用，“自然骨質(zhì)很難復(fù)制，因?yàn)槠涮攸c(diǎn)是既要有孔又要堅(jiān)固。但目前使用的替換材料堅(jiān)固度較差，比較硬脆且容易折斷，無法在治療過程中有效承重”，Zreiqat教授表示，因此有必要找到新的材料，能夠在強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)上模擬自然骨質(zhì)，并可以促進(jìn)新骨質(zhì)的生長(zhǎng)，同時(shí)又要具備足夠的耐受力，從而保證在植入后能夠分擔(dān)骨骼的受力。Zreiqat教授介紹，其研究團(tuán)隊(duì)研制出的這種新的骨頭置換材料在結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和多孔性方面都與自然骨質(zhì)十分相似，并且能夠促進(jìn)新骨質(zhì)細(xì)胞的再生。這種材質(zhì)的主要目的是促進(jìn)正常細(xì)胞的生長(zhǎng)，一旦骨頭恢復(fù)，這種新的合成材料就會(huì)溶于體內(nèi)。Zreiqat說，試驗(yàn)已證明，人體對(duì)新材料不會(huì)產(chǎn)生排斥性。而且我們可以利用這種材料按照需要制作大量的植入結(jié)構(gòu)，所以不存在材料不足的問題。同時(shí)，其研究團(tuán)隊(duì)已成功對(duì)這種新材料進(jìn)行了3D打印，這也是非常重要的一步，以確保這種合成材料可以塑造成所要替換部位的準(zhǔn)確的骨骼形狀。牛津性能材料公司鈦金屬金屬人體植入物2013年7月，一種新的可被3D打印的人體植入材料被FDA批準(zhǔn)，這是3D打印在醫(yī)療植入物的應(yīng)用上具有里程碑的一件事。因?yàn)楸M管鈦的優(yōu)點(diǎn)很多，可它畢竟是金屬，一來干擾X射線，二來核磁共振基本沒戲；這就限制了鈦只能植入替代一些對(duì)精確度要求比較低的人體部位，比方臀部這塊；而如果病人要補(bǔ)腦殼，這種要求非常精細(xì)的手術(shù)，通常需要核磁成像的引導(dǎo)，鈦就不可能被用到了。而這種新被批準(zhǔn)的可3D打印的材料是具有生物適應(yīng)性的聚醚酮酮，塑料制品，因此不需要擔(dān)心影響成像。而且由于是可以被3D打印的（具體來講是采用選擇性激光燒結(jié)（SLS）工藝），因此制成的植入物將是嚴(yán)絲合縫，需要最少調(diào)整的完美植入物。此外這種新材料不僅在強(qiáng)度和韌性上能夠達(dá)到骨頭的要求，而且還具有骨導(dǎo)性（ osteoconductive），換句話講，骨細(xì)胞也能在這種材料上生長(zhǎng)。這種材料的研發(fā)者是 Oxford Performance Materials，牛津性能材料公司，他們從2006年開始研制，他們將這種材料命名為 OsteoFab，是第一個(gè)被FDA批準(zhǔn)的非金屬3D可3D打印的人體植入物。阿科瑪3D打印材料獲醫(yī)用材料認(rèn)證 法國(guó)阿科瑪公司（Arkema）宣布，該公司的3D打印機(jī)用材料“RilsanInventNatural”獲得了美國(guó)藥典（USP）6級(jí)認(rèn)證，能夠用于醫(yī)療器械及醫(yī)藥品容器等用途。該公司在11月25～28日于德國(guó)法蘭克福舉行的“EuroMold2014”上展出了利用該材料制作的樣品。RilsanInventNatural是原材料100%來源于植物的聚酰胺（尼龍）11，作為用于SLS（選擇性激光燒結(jié)）式3D打印機(jī)的材料供應(yīng)。SLS式3D打印機(jī)的原理是逐層使用激光使部分樹脂粉末熔化、然后凝固成型。該材料獲得USP6級(jí)認(rèn)證后，應(yīng)用范圍將得到擴(kuò)展，可用作假肢及牙套等的造型用材料。聚酰胺11的化學(xué)特性與聚酰胺12基本相同，但韌性更高不易斷裂，因此有望用于受力較大的假肢等。迪康的生物玻璃可以做3D生物骨骼打印原材料 生物玻璃（bioglass）能實(shí)現(xiàn)特定的生物、生理功能的玻璃。將生物玻璃植入人體骨缺損部位，它能與骨組織直接結(jié)合，起到修復(fù)骨組織、恢復(fù)其功能的作用。其主要成分有約占45％Na2O、占25％CaO與25％SiO2和約占5％P2O5。若添加少量其他成分，如K2O、MgO、CaFB2O3等，則可得到一系列有實(shí)用價(jià)值的生物玻璃。用這種玻璃來造人體骨比某些金屬要優(yōu)越的多。只有迪康有生物玻璃生產(chǎn)。創(chuàng)生醫(yī)療器械公司成立專門機(jī)構(gòu)——— 3D打印生產(chǎn)人體骨骼 2014年9月25日創(chuàng)生醫(yī)療器械(中國(guó))有限公司3D打印研發(fā)中心正式投用，在國(guó)內(nèi)首次生產(chǎn)3D打印的高端骨骼假體產(chǎn)品。創(chuàng)生公司成立于1986年，2010年在香港上市，去年由全球最大的骨科器械企業(yè)美國(guó)史賽克公司收購。此次，創(chuàng)生公司完全吸收了史賽克積累多年的3D打印技術(shù)，并從德國(guó)引進(jìn)世界上最先進(jìn)、在我國(guó)骨科領(lǐng)域唯一使用金屬粉末的3D打印機(jī)。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，3D打印的鈦合金骨骼產(chǎn)品有兩大優(yōu)勢(shì)：一是可以按照病人的骨骼特點(diǎn)“量體裁衣”，實(shí)現(xiàn)精確的個(gè)性化定制；二是該類植入物帶有可供骨頭長(zhǎng)入的孔隙，相鄰骨頭在生長(zhǎng)中會(huì)與假骨結(jié)成一體，有利于骨骼康復(fù)。這種產(chǎn)品安裝在人體中，一般可長(zhǎng)期使用。Objet有限公司推出了適用于3D打印醫(yī)療和牙科用戶的新型生物相容性材料 該新型材料適用于需要長(zhǎng)期皮膚接觸（30天以上）和短期粘膜接觸（最長(zhǎng)24小時(shí)）的應(yīng)用情況。根據(jù)協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn) ISO 109931，該材料通過了五項(xiàng)醫(yī)療審批： 細(xì)胞毒性、基因毒性、遲發(fā)型超敏反應(yīng)、刺激性和美國(guó)藥典塑料VI級(jí)。 Objet 生物相容性材料制造通過了ISO 13485:2003認(rèn)證，滿足醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)和制造綜合質(zhì)量管理系統(tǒng)的要求。第2章 3D打印在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用一、3D打印在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 目前，3D打印在醫(yī)療生物行業(yè)的應(yīng)用主要包括四個(gè)方面：（1）3D模型打?。河糜诮虒W(xué)和病例討論、模擬手術(shù)、整形手術(shù)效果比較等（2）體外醫(yī)療器械制造——無需生物相容的材料 體外醫(yī)療器械包括醫(yī)療模型、醫(yī)療器械——如假肢、助聽器、齒科手術(shù)模板等。醫(yī)學(xué)模型快速建造。醫(yī)學(xué)道具、模型、用品等材料可通過3D打印獲得。利用3D打印技術(shù)，可將計(jì)算機(jī)影像數(shù)據(jù)信息形成實(shí)體結(jié)構(gòu)，用于醫(yī)學(xué)教學(xué)和手術(shù)模擬。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)教學(xué)模型制作方法時(shí)間長(zhǎng)，且搬運(yùn)過程容易損壞，使用3D打印技術(shù)，可有效減少制作時(shí)間，根據(jù)需要隨時(shí)制作，并降低搬運(yùn)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)美國(guó)組織AmputeeCoalition的統(tǒng)計(jì)，目前美國(guó)正有約200萬人使用3D打印假肢。（3）個(gè)性化永久植入物——牙種植、骨骼移植等 對(duì)人體身體部位的復(fù)制是高度定制化的產(chǎn)品，通過3D打印，這些部件可以與身體完全契合，與身體融為一體。以骨骼為例，當(dāng)人體的某塊骨骼需要置換，可掃描對(duì)稱的骨骼，再打印出相應(yīng)的骨骼，最后通過手術(shù)植入人體內(nèi)。人體組織器官代替物的材料要求很高，實(shí)現(xiàn)難度大。但目前已有一些成功案例，比如復(fù)制人體骨骼，制作義肢等。比如，人體某塊骨骼缺失或損壞需要置換，首先可掃描對(duì)稱的骨骼，形成計(jì)算機(jī)圖形并做對(duì)稱變換，再打印制作出相應(yīng)骨骼。與傳統(tǒng)方法相比，該技術(shù)不需要先制作模具，可直接打印，建造速度較快。這項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于牙種植、骨骼移植等。在制造過程中，研究人員掃描患者骨骼需求位置情況， 并設(shè)計(jì)出骨骼部件的模型，在機(jī)器作用下，材料就以層疊方式累積起來，經(jīng)過固定成形，制成一個(gè)人造骨骼實(shí)物。臉部修飾與美容也可用到這一技術(shù)。利用 3D 打印技術(shù)制作臉部損傷組織，如耳、鼻、皮膚等，可以得到與患者精確匹配的相應(yīng)組織，為患者重新塑造頭部完整形象， 達(dá)到美觀效果。首先掃描臉部建立起 3D 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，醫(yī)生可以制作出患者所缺少的部位，重現(xiàn)原來面貌。比起傳統(tǒng)技術(shù)，該方法更精確，材質(zhì)選擇更加多樣化。隨著3D打印技術(shù)所支持材質(zhì)的增多， 打印質(zhì)量的精細(xì)化，以及美容市場(chǎng)的壯大，臉部修飾與美容應(yīng)用將有更加廣闊的天地，應(yīng)用水平亦將得到進(jìn)一步提高。 在國(guó)內(nèi)，3D打印“骨骼”技術(shù)已經(jīng)于2013年被正式批準(zhǔn)進(jìn)入臨床觀察階段。目前，北京大學(xué)第三醫(yī)院骨科專家劉忠軍教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在征得病人同意后，已有近40位患者植入了3D打印出的“骨骼”。該院在脊柱及關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域研發(fā)出3D打印脊柱外科植入物，其中頸椎椎間融合器、頸椎人工椎體及人工髖關(guān)節(jié)三個(gè)產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入臨床觀察階段。這種3D打印的假骨有助將周邊的骨頭吸引過來，使人體骨骼和植入物結(jié)合起來，促進(jìn)患者康復(fù)。到目前，使用3D打印骨骼的患者恢復(fù)情況非常好，在很短的時(shí)間內(nèi)，就可以看到骨細(xì)胞已經(jīng)長(zhǎng)進(jìn)到打印骨骼的孔隙里面。（4）細(xì)胞打印 細(xì)胞打印屬較為前沿的研究領(lǐng)域，是一種基于微滴沉積的技術(shù)——一層熱敏膠材料一層細(xì)胞逐層打印，熱敏膠材料溫度經(jīng)過調(diào)控后會(huì)降解，形成含有細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)體。細(xì)胞打印能夠：1）為再生醫(yī)學(xué)、組織工程、干細(xì)胞和癌癥等生命科學(xué)和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域提供新的研究工具。2）為構(gòu)建和修復(fù)組織器官提供新的臨床醫(yī)學(xué)技術(shù)，推動(dòng)外科修復(fù)整形、再生醫(yī)學(xué)和移植醫(yī)學(xué)的發(fā)展。3）應(yīng)用于藥物篩選技術(shù)和藥物控釋技術(shù)，在藥物開發(fā)領(lǐng)域具有廣泛前景。 在這一領(lǐng)域領(lǐng)軍的Organovo公司，已經(jīng)成功研發(fā)打印出心肌組織，肺臟，動(dòng)靜脈血管等。雖然目前這一技術(shù)的應(yīng)用尚處于試驗(yàn)階段，但未來有望逐步應(yīng)用于器官移植手術(shù)中。Organovo公司宣稱用3D打印機(jī)完整打印一個(gè)有正常生命機(jī)能的肝臟，為肝臟移植患者提供幫助。公司先通過獨(dú)特的細(xì)胞3D打印技術(shù)，在細(xì)胞培養(yǎng)基座中打印出肝臟所需的細(xì)胞組織，然后再在培養(yǎng)皿中進(jìn)行培養(yǎng)，并生成正常形狀和機(jī)能的肝臟，然后便可以移植到人體中，進(jìn)行身體解毒和排毒等正常代謝功能。不過，該肝臟的生命周期只有40天左右。二、3D打印醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)例北京大學(xué)第三醫(yī)院：3D打印骨骼植入近40位患者 北京大學(xué)第三