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由于3D打印技术具有高度定制化、高精度、高复杂度、高加工效率及节省材料的特点，被广泛应用于各个领域。其中生物医疗领域是被业界公认的3D打印可以大规模推广应用的第一大产业领域。根据市场研究公司沃勒斯公司（Wohlers Associate）2018年发布的报告称，在过去的27年中，增材制造行业（包括所有产品及其产品服务）的年复合增长率达26.2%。预计到2020年，3D打印行业将占据全球制造市场5%的份额，这将是一个市场价值达到6 400亿美元的大行业。其中，亚太市场销售总额预计占到27%。中国目前占有全球份额的8.8%，这一比例呈现逐年上升的趋势。中国作为人口大国，目前健康医疗服务业仅占GDP的5%左右，而美国2009年已达到17.6%，日本也达到了10%左右。伴随物质条件的不断改善和老龄化的趋势，人们对医疗服务的质量需求越来越高。
生物3D打印是一项应用于组织工程的新技术，是在3D打印的基础上，把混有细胞的生物材料通过逐层打印的方式制造出生物组织或器官。它允许使用患者自身细胞或组织3D打印出组织器官替代物，而不用担心免疫反应和排斥。因此生物3D打印可以广泛应用于组织工程和器官移植。生物3D打印技术已被用于骨骼、皮肤、人造血管、心脏组织等再生与重建领域。生物3D打印是目前3D打印技术研究中最前沿的领域，也是3D打印技术中最具活力和前景的发展方向。
生物3D打印主要分为以下六个步骤（图1-35）：成像扫描、结构设计、材料选择、细胞选择、生物3D打印、应用（体外培养或植入生物体内）。
图1-35 组织工程中制造人造组织或器官的典型过程
生物3D打印的工艺方法主要有微滴喷墨式、微丝挤出式、光辅助成型式。
微滴喷墨打印的原理类似喷墨打印机，区别在于生物打印是将生物材料按照微滴的形式一滴一滴地喷射出来。应用于组织工程的喷墨打印机主要包括压电式、热发泡式、微阀式。
压电式喷墨打印的原理是，在压电元件的电极两端施加电压时，压电元件弯曲，导致振动板向压力腔内部弯曲，将墨水从压力腔中挤压出去，电压释放后，振动板恢复原状，墨水通过墨水通道从储墨槽进入压力腔，准备下一次喷墨过程。
热发泡式喷墨打印的原理是，热电阻或薄膜电阻在驱动电压下急剧升温，使得邻近区域墨水迅速膨胀形成气泡，将墨水腔的墨水激发出去，电压释放后，电阻周围墨水降温收缩，墨水从储墨槽进入压力腔内，准备下一次喷墨过程。
压电式和热发泡式的最大优点是分辨率高，喷出的液滴直径可以达到10μm。克莱姆森大学的研究人员利用喷墨打印的方式，直接打印出人造血管。斯克里普斯研究所的研究人员利用改进后的惠普500型喷墨打印机打印出混入软骨细胞的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（polyethylene glycol dimethacrylate，PEGDMA）材料，单层厚度达到18μm。
除此之外，喷墨打印中还包括一种微阀式喷头，通过电磁阀通断控制材料喷出。这种方式的不同之处在于液滴直径较大（500μm），其优点是对于精度要求不高的应用场合，可以完成效率很高的生物3D打印。维克森林大学的研究人员利用多个微阀喷头，在伤口处打印生物墨水来进行皮肤修复。西安交通大学的研究人员利用微阀式喷头，进行光固化水凝胶的生物3D打印研究，实验证明水凝胶的添加提高了支架的亲水、吸水能力，同时有利于细胞的增殖及细胞外基质的产生。
挤出式生物3D打印的原理与点胶机类似，利用压力将生物材料从特定的针头中挤出形成细丝。将挤出式喷头固定在三维运动平台，利用软件将原始模型转换为打印路径，运动的同时使喷头挤出生物材料并沉积在指定的位置凝固成型，并与周围的材料黏接，最终通过层层堆积形成3D打印组织。挤出式生物3D打印适用于黏度较大的生物材料，其优点是喷头原理简单，成本低，因此是目前应用最为普遍的生物3D打印方式。其不足在于细丝的尺寸不易做小，一般在200μm，通过施加静电场等方法可以改善尺寸上的不足。
光辅助成型方法中广泛使用的光源包括激光和紫外光。激光辅助打印是在玻璃板吸收层上用激光聚焦产生一个高压液泡，将带有细胞的材料推到接收基板上。其优点是喷头为开放式，不存在喷头堵塞的问题，同时对细胞伤害小，细胞存活率高达95%以上，缺点为价格较高，限制了其临床应用。德国汉诺顿激光中心的研究人员，利用激光辅助的方法将细胞层层叠加打印皮肤组织，并进行了小鼠活体实验，验证了打印的皮肤结构可以很好地修复小鼠的皮肤缺损。紫外光辅助成型以液态光敏材料为原料制作模型，在计算机的控制下根据零件的截面形状逐层逐点扫描，在紫外光照射下使液态层产生光聚合或光交联而固化，当第一层材料固化完成后，沿竖直方向移动平台，在固化材料上方覆盖一层新的材料，随后继续逐层扫描固化，层层堆积直至成型。近年来，该技术在生物医学领域的应用得到快速发展，特别是在牙科及骨科方面。
3D打印最早在20世纪80年代被引入医学领域，发展至今，它已经成为广泛利用各种材料制造定制化产品最有效的方法之一。沃勒斯公司发布的2016年报告称，由全球增材制造产品和服务组成的产业在2015年增长了25.9%，达到51.65亿美元。单价不高于5 000美元的桌面级3D打印机销售数量达到278 000台，保持了良好的增长态势，见图1-36。其中，医疗服务行业是3D打印应用的第三大市场，约占总收入的16%。随着3D打印技术的日渐成熟，医疗市场收入预计将会出现显著增长。
图1-36 2007—2015年桌面级3D打印机销售情况
目前，3D打印在临床医学的应用主要集中在骨科、牙科、医疗器械、医药制剂和再生医学领域（图1-37）。在骨科领域，西安交通大学于1999年在国内率先开展了基于患者CT影像的快速原位设计和3D打印成型制造的个性化骨内植物的研究，并成功应用于颅颌面骨缺损修复重建中。在牙科市场，3D打印有着最广泛的应用，因为它所需的最终产品（如牙科修复）体积较小并且需要依据患者的特定情况设计制造。在医疗器械领域的应用包括矫形器、手术仪器和医学模型。在医药领域，研究人员利用3D打印技术可用于新型药物的制备、药物制剂毒性检测，开发出依据患者病情定制剂量的药物。在组织工程和再生医学领域，3D打印技术越来越成为研究人员解决问题的有效手段。
图1-37 3D打印在医学领域的应用和常用制造方法
3D打印技术最早使用在汽车、模具、家电、轻工、航空航天等领域，但是研究人员一直倾力于其在医疗方面的应用。其中，3D打印技术最常用的医学领域之一就是骨科植入物，常见的3D打印植入物有骨盆植入物、关节植入物、定制假体和仿生物活性支架。
对于骨缺损患者来说，传统修复方法有骨移植和植入通用型骨内植物。但骨移植有塑形性差、无法矫正畸形、易发生并发症等问题。通用型骨内植物无骨外形，手术过程中需根据修复需要并依赖术者经验进行加工调整，多与患者自体骨不能精确匹配，不仅影响美观，还会造成承载能力减小、定位不准和连接不稳定等问题，易导致骨缺损修复失败，严重影响患者术后的生理和心理康复。解决上述问题的根本途径是为患者量身定制个性化骨内植物。然而，传统加工方法难以适应单件个性化内植物的加工，具有难度大、成本高、精度低、加工时间长等缺点。数控加工方法虽能进行单件加工，但受限于刀具尺寸，难以适应颅颌面骨内植物的复杂内凹结构和薄壁结构，所加工的内植物常过于粗糙，易引起应力屏蔽，导致骨萎缩。3D打印技术突破了传统机械加工的限制，特别适合制造形状复杂的个性化骨内植物，实现患者缺损的个性化修复，在制备植入式医疗器械方面有很大优势，成为公认的符合个性化医疗理念的新方法。
依据不同的材料可以制作不同的植入物，目前可以使用的生物医用材料有很多，如金属材料（钛合金）、无机非金属材料（陶瓷）、高分子材料（聚醚醚酮，poly etheretherketone，PEEK）、复合材料（“生物墨水”）。
金属材料具有较好的力学强度、导电性以及延展性，使其在硬组织修复研究领域具有天然的优越性。目前用于生物医学打印的金属材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金等。
无机非金属生物材料主要包括生物陶瓷、氧化物及磷酸钙陶瓷和医用碳素材料。其中，生物陶瓷具有高硬度、高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在医学骨替代品、植入物、牙科和矫形假体领域有着广泛的应用。西安交通大学生物制造研究组采用凝胶注模和烧结方法制备外形匹配的β-磷酸三钙（β-tricalcium phosphate，β-TCP）陶瓷支架，通过调整曝光时间与聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）浓度，以2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮（I-1173）为引发剂，逐层打印，获得与软骨弹性模量相匹配的PEG水凝胶支架，将PEG水凝胶直接成型于制备的β-TCP陶瓷支架上，形成外形匹配、力学性能仿生的双相PEG/β-TCP骨软骨复合支架。
PEEK是目前国际上先进的高分子植入材料，具有良好的生物相容性，同时耐热等级高，耐辐射、耐化学腐蚀，抗冲击性能和抗疲劳性能好，因此，PEEK是理想的非金属植入物替代材料，国内仅少数几家单位掌握了PEEK材料的3D打印技术。空军军医大学唐都医院胸外科、空军军医大学3D打印中心和西安交通大学课题组共同合作，开展PEEK植入物的临床研究工作。在充分分析了PEEK肋骨的力学性能后，采用熔融沉积技术进行打印。最终，唐都医院胸外科利用新型PEEK材料，为一名胸壁肿瘤患者打印并置换肋骨（图1-38），该手术是国际首例3D打印PEEK肋骨植入术。
图1-38 3D打印PEEK肋骨的植入手术
结合术后影像学检查发现，3D打印PEEK肋骨具有多项优势：①弹性模量和屈曲强度等与真实肋骨非常接近，从而避免了应力传导引起的周围器官损伤；②质量轻，平均每根肋骨仅27g，正常肋骨大约在30～50g；③韧性好，既能保证缺损胸壁的支撑强度，又能使局部胸壁获得一定的活动度；④不干扰影像学检查，可以进行磁共振和CT检查。
3D打印技术在医学上的应用具有明显的优势，特别是在骨科临床，有效地整合了术前诊断、手术规划、个性化植入物制作等多个环节。目前，3D打印技术在临床上主要用于硬组织领域，软组织方面的应用还有待于进一步研究。对于一些小的血管、神经、韧带等组织的重建还不成熟。但我们相信，随着医学的进步和3D打印技术的发展，其不足之处会逐渐得到解决，3D打印技术在骨科临床具有广阔的应用前景。
2014年，我国义齿行业消费量约为8 165万颗，行业市场规模达到50.6亿元。
传统义齿加工行业是个程序繁杂、人力成本很高的行业，要进行咬模、灌制石膏形成义齿模型、蜡模制作、包埋、烧制、打磨等20多道烦琐工序，制作周期大约1周，需要技术人员付出长时间的手工劳动。而3D打印义齿替代了传统工艺的蜡形、包埋、失蜡、铸造、冷却、拆开、切割七道工序，可以缩短一半的制作时间，这也意味着人工成本的大量缩减。
在20世纪90年代后期，使用SL的蜡制模具作为后续铸造工艺的模板，可以看作3D打印在牙科领域的最早应用。在过去的5年中，由于口腔内扫描技术的进步、3D打印机的普及和可打印生物材料日益多样化，3D打印技术极大地促进了牙科的发展。目前，利用3D打印技术可以创建口腔修复、手术导板以及矫正器具等。
牙科3D打印的发展方向主要有两个，即光固化打印（SL、DLP和MJM）和粉末打印（SLS、DMLS）。SL和DLP应用光聚合反应原理和填充了金属或陶瓷的光敏性树脂来创建修复物（例如牙冠、牙桥、义齿基托）、手术定位器、齿型矫正器等。光固化打印具有制造周期短、分辨率高、成本低、可成型复杂表面等优点。多喷头成型技术（MJM）是一种新兴的技术，因为该技术可使用多个打印喷头加载多种打印材料，所以它能够利用各种颜色和性能各异的材料打印出外形逼真，纹理清晰，并可具有神经通道的牙齿。不过，由于应用光聚合反应形成的部件机械性能较弱，因此光固化打印一般用于制造模型或临时性修复。以粉末熔融为基础的3D打印技术，主要包括SLS、SLM和金属直接烧结（DLMS）技术。粉末打印通常利用生物相容性技术材料，如钴、铬、钛和不锈钢等合金来制造牙冠和局部义齿基托。生物医用金属材料以其优良的力学性能、高可靠性和相对稳定的化学性能，已经成为牙齿和骨的硬组织修复和替代的主要材料（图1-39）。不过由于金属材料在组成上与人体组织成分相差较大，因此金属材料的生物相容性较差。
图1-39 3D打印牙冠
应用3D打印技术之前，临床上口腔修复体的设计和制造通常以手工为主，其设计效率低、制造精度低、加工周期长，引入3D打印技术后，有效地解决了上述问题。通过三维扫描和计算机辅助设计（CAD）/计算机辅助制造（CAM），牙科实验室可以准确、快速、高效地设计牙冠、牙桥、石膏模型和种植导板、矫正器等，设计的数据通过3D打印技术可直接制造出可铸造树脂模型，实现整个过程的数字化。3D打印技术的应用，进一步简化了制造环节的工序，大大缩短了口腔修复的周期。
与传统制造技术相比，3D打印技术具有以下几点优势，使得它在医疗器械领域应用十分广泛。首先，它通过使用患者自己的医学影像设计定做医疗器械和外科手术工具，这种个性化定制的医疗方案可以有目的地、高效地缓解或根治病情。其次，在医学上，它可以创建具有复杂结构的几何模型，这是利用传统技术难以实现的。最后，它可以使用相对较低的成本按需制造医疗设备，并进一步降低包装、运输、存储的费用。
一些医疗机构已经成功地制造并使用了3D打印手术器械，例如手术导板、组织钳等，这些产品在骨科、泌尿外科、面部整形外科等手术中都有所应用。利用3D打印技术生产的人体植入物（包括假肢、矫形器、固定夹板等）具有优良的力学性能（较高的强度和韧性）和复杂的结构，同时具备个性化快速制作和成本控制优势。考虑到上述这些要求，粉末3D打印是较好的选择。和其他3D打印技术相比，粉末3D打印可以利用更多具有生物相容性和可植入性的材料生产高质量的产品，例如它可以利用陶瓷、钛合金（Ti6Al4V）、钴铬合金、PEEK和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）等。3D打印的植入物已被广泛应用于各种外科手术，包括颅颌面外科、胸外科、骨科等。
目前，3D打印的骨科辅助器械主要是手术置钉导航模板。在复杂的骨折手术中，如粉碎性骨折、关节周围骨折等，术者在缺乏直视的情况下难以做到解剖复位及精确的固定，部分关节周围螺钉的植入也往往依靠术者的经验和手术技巧来完成，耗时长，创伤大。3D打印制作导航模板将医学影像学、计算机辅助设计技术、逆向工程技术及3D打印技术有机结合，能够直观地了解病变局部的解剖异常，并精确到具体数值，不仅可以辅助骨折精准复位，还可以指导螺钉精准植入，提高手术安全性及手术效果。目前临床报道的3D打印导航模板主要应用于骨盆、关节和脊柱等复杂的手术中，在提高手术精准度的同时，还缩短了手术时间，减少了术中出血量及麻醉药物用量。
对于一次成功的手术来说，术前的规划和培训至关重要。3D打印的解剖模型越来越受欢迎，因为它们可以根据需要从医学图像（如CT和MRI）轻松获得模型数据。增材制造是目前最常用的解剖模型制造技术，它常用于术前规划和外科教育服务。手术前规划过程包括决策的制订，组织解剖的可视化，手术过程的模拟，手术设备的选择和操作，以及模型对患者的演示。虽然3D打印的手术模型早在20世纪90年代初期就已出现，但由于增材制造技术的易用性和成本效益的可控性，直到最近才迅速流行，其中最大的增长是在颅颌面整形和心胸外科手术中。因为3D打印模型对外科医生处理复杂和罕见的情况大有帮助，所以它们在脊柱、神经、肝胆、泌尿、血管、移植、肿瘤和整形手术中，以及麻醉实施过程中也有所应用。
例如，一名患有肾衰竭的4个月大的婴儿借助3D打印的解剖模型，成功地从父亲身上获得了成年肾脏。在这种情况下，成年父亲的肾脏和幼小婴儿腹部之间巨大的尺寸差距给孩子带来了很高手术风险，对外科医生来说这是一个巨大的挑战。为了进行移植，医生决定制作婴儿腹部（包括肝脏、骨盆、腹壁和血管）和父亲肾脏的模型并进行3D打印。这些模型将受体的解剖结构和手术可用空间清晰地展现在医生面前，有力地帮助医生确定缝合位置并优化外科手术。越来越多的证据表明，3D打印手术模型的使用增强了外科医师的信心，提高了手术成功率，减少了手术时间，加强了医生与患者的沟通。
在运用3D打印技术生产医疗模型时，打印方法和材料的选择取决于模型的期望性质，如分辨率、准确性、颜色和长期稳定性。单色模型通常使用SLS和SL制作。FDM打印的模型具有成本效益，但其打印成品通常表现为粗糙的表面和低分辨率。黏结剂喷射法（BJ）可以生产具有不同区域颜色的多色模型。除了结合各种颜色外，MJM还可以利用材料的机械性能模拟软组织和硬组织的纹理。例如，Zein等人使用Stratasys Connex 350打印机在橡胶状光聚合物中打印肝脏模型。在该模型中，透明肝实质内的血管和胆道网络显示出不同的颜色，真实地模拟了接受肝脏移植患者的手术情况。最近，许多公司，如3DyourSCAN、LifeLike BioTissue和Materialize，已经开始提供3D打印服务和外科手术模型。
目前3D打印技术仍然存在一些限制。首先，使用SLS和SL创建的模型对于解剖练习是不实用的，因为相应的可打印材料硬度通常很高或者十分脆弱，与实际组织或者器官相差较大。其次，不同的3D打印方法，模型的几何形状和所选择的材料等因素大大限制了可打印模型的壁厚和孔隙尺寸，例如鼻窦内薄隔膜这一特征目前还无法精确地进行3D打印。
不过，3D打印在医学模型领域的应用仍然向前发展着。近日，英国国家卫生服务局（Natio nal Health Service，NHS）已经任命了其首家生物医学3D技术人员，为面部重建手术创建3D打印模型。威尔士斯旺西市的莫里斯顿医院（Morriston Hospital）最近设立了“生物医学3D技师”一职（图1-40），专为医院设计3D打印手术模型、植入物和导板。此举在英国开创了一种全新的职位。
图1-40 生物医学3D打印员
担任莫里斯顿医院这一职位的希瑟·古德勒姆，是英国诺丁汉特伦特大学剧院设计系本科毕业生和面部重建法医硕士毕业生，她精通数字3D设计。现在，她将自己的多种3D技能用于医疗3D打印领域，而不是剧院设计。“外科医生决定如何进行手术，设计方面随后会交给我和我们团队中的医学修复领域的科学家。我将按照要求设计所需的部分，和团队成员一起对其进行修改。一旦完成，设计将被送去3D打印。”古德勒姆在英国广播公司（BBC）的采访中说道。古德勒姆的任务主要是颅骨相关手术模型的制作，但也参与了其他植入体的制造。
相关管理人员解释说：“生物医学3D技术人员并没有在之前的（英国）国民保健服务中发挥作用，但现在英国其他大型医疗中心与希瑟的角色联系在一起，因为他们希望在他们的单位中创建一个类似的职位。3D打印在健康服务中的需求肯定会继续增长。”
药物是一种包含活性成分和非活性成分在内的试剂，它以丸粒、液体、粘贴物或可植入物等形态存在。药物的研制是一个十分复杂的过程，通常都要考虑到活性成分结构和组成变化对药物控释的影响和药效的长期稳定性。顾名思义，3D打印药物是通过3D打印机打印出来的药物。3D打印药物实际上是一种制剂加工技术，目前3D打印技术在医药领域主要用于打印控释药物支架、新药研发测试、药物筛选和毒性评估。
2015年8月，美国食品药品管理局（FDA）批准了Aprecia制药公司旗下首款采用3D打印技术制备的口服型左乙拉西坦（SPRITAM ® ）速溶片上市，用于治疗患者癫痫发作。这种新型药物使用该公司旗下名为“ZipDose”的技术生产，这种工艺使用含水流体将粉状药剂一层一层地结合在一起，从而制造出固体状多孔性药剂。因其内部呈多孔状，内表面积大，所以固体药片具有优异的水溶性。
虽然SPRITAM ® 速溶片不是颠覆性产品，但患者确实会遇到药片过大时不方便吞咽或者剂量要求严格，不容易控制等情况。这些看似不起眼的事情对老人或儿童来说尤为重要。在图1-41中，A图展示的是Aprecia生产的速溶片，B图是同样药物的传统药片。在相同水量下，大约历经4s，可以观察到速溶片在水中的扩散程度要明显大于传统药片，证明了SPRITAM ® 速溶片只需要较小的水量即可溶化，非常便于口服。
图1-41 3D打印药物（A）与传统药物（B）溶解速度比对
通过使用3D打印技术来控制药物释放的动力学因素，可以制备出空间上具有精确剂量分布的复杂形状或结构。此外，基于患者的性别、年龄、体重、既往病史和其他临床表现，3D打印技术可以提供个性化药物，这也是和传统制药技术相比所具有的突出优势之一。
目前应用于医药行业的3D打印技术主要是基于滴液打印和挤出打印，前者包括BJ技术，后者包括FDM和墨水直写技术（DIW）。BJ技术是将药物掺入粉末或者液体黏结剂中打印出来。在这一过程中，通过仔细调整包括粉末粒度、黏结剂流速和平移速度在内的参数，可以达到控制多种成分药物的快速溶解或释放剂量的目的。然而，这种方法仍然存在一些缺点，限制了其广泛应用。最突出的问题是机械性能差，干燥时间长，存在残留的有机溶剂，含药量低。
使用FDM可以在一定程度上克服这些固有的局限。FDM工艺具有合适的流变性和传热性能，可打印具有复杂外观几何形状和内部结构，含有多种成分的药物。由FDM工艺打印的最终产品通常表现出高精度和良好的机械强度。此外，FDM工艺还被用于打印具有各种图案的模板，以创建具有复杂形状的、可控药物释放特征的药物。在FDM技术中，主要使用两种方法将药物装载到聚合物丝中。第一种方法是将细丝浸入含有药物的有机溶液中，然后干燥。这种方法允许药物被动地扩散到细丝中并被吸收到聚合物基质内。第二种方法是通过热熔挤出将药物和赋形剂组合以直接制造载药丝。第一种方法的主要挑战是药物剂量填充百分比极其低，通常小于2%。相比之下，热熔挤出能够提高药物含量。
然而，可用于药物打印的聚合物相当有限，并且药物在挤出或打印过程中极易热降解。为了解决这两大难题，可以采用DIW工艺。在DIW工艺流程中，通过改变注射器压力实现不加热打印或以较少的热量打印。目前，该技术已用于多种新型控释药物的制备。
血管在生物体的作用不言而喻，对于生物3D打印的人造组织和器官也是一样，血管保证了组织内养料及废物的运输。研究人员已经证明，人造类血管网可以使细胞活力得到极大改善，并为细胞提供足够的氧气和营养。因此，在大块的组织和器官中，制造出人造类血管网是必须的，也是生物3D打印成功应用的关键挑战。
利用3D打印技术制造类血管结构的方法有以下几种。
牺牲材料法是通过后续可去除材料打印血管，用不可去除材料封装，当可去除材料被去除后形成血管网。研究人员以普朗尼克F127为牺牲材料，以明胶-甲基丙烯酸酐（gelatin metha crylate，GelMA）作为细胞外基质材料，以聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）类聚合物材料作为边界材料，制造出整块含有空心管网的结构。牺牲材料法步骤简单，可以在较短时间内制造较为复杂的类血管结构，但移除牺牲材料的条件可能损伤细胞活性。
在制造过程中，科学家使喷头做圆周运动，喷头在运动过程中在打印装置上逐滴滴出海藻酸钠液滴，当喷头完成一次圆周运动后，海藻酸钠液滴在打印装置上构成一个圆形结构，之后打印装置向下移动一层，重复上述步骤，最终打印出海藻酸钙空心管。然而，这种成型方法受到工艺等因素的限制，层与层之间连接强度不高，且只能打印出简单的空心结构。
利用同轴喷头直接挤出空心管，与3D打印技术结合可方便地制造出内部复杂的、连通的、空心管网状的立体管型结构支架。研究人员利用海藻酸钠溶液与氯化钙溶液反应成胶原理，通过同轴喷头直接打印出海藻酸钙空心管。而后采用同样的方法打印出不同形态的空心管，并增强了层与层之间的连接强度，在旋转的滚筒上打印空心管可以构造出大尺寸的类血管。
目前，3D打印技术用于骨组织支架的病例已经有许多报道，但是在血管领域仍然是微乎其微。随着材料学的发展，各种新型支架陆续产生，从过去的不可吸收的金属裸支架、药涂支架、覆膜支架到已经逐渐应用于临床的多聚合物可吸收支架等。目前血管支架种类繁多，为扩张性或狭窄闭塞性血管病变的治疗提供了丰富的选择空间。但其不足之处也很明显，例如支架大多为批量生产，并不能完全适应不同人不同部位血管的病变。如果支撑力强、扩张过大，有可能导致血管瘤样扩张；如果支撑力过小，可能由于血管弹性回缩无法起到应有的效果，甚至有引起急性血栓形成的可能。因此，能够设计针对不同患者的个性化支架就愈发重要，而3D打印技术可以弥补这一缺陷。
公开报道显示，四川大学华西医院等科研团队利用取自恒河猴自体的脂肪间充质干细胞制备成3D生物打印墨汁，应用自主研发的3D生物血管打印设备构建出具有生物活性的人工血管，并将其置换恒河猴体内一段腹主动脉，实现血管再生（图1-42）。这一突破有望解决人造组织和器官中难以制造类血管结构的问题。
随着3D打印血管的出现，皮肤也成为了研究人员进行生物3D打印的重点领域。2013年，欧盟禁止使用动物测试化妆品，这一举措加速了3D打印体外皮肤组织模型的开发。虽然目前的大部分研究主要集中在优化打印参数，以促进细胞增殖和组织的形成，但是3D打印皮肤在帮助了解皮肤疾病的病理生理学以及药物和化妆品毒性测试方面显示出巨大的潜力。对于烧伤患者和其他遭受严重皮肤损伤或疾病的人来说也具有重要意义。
图1-42 科研人员植入置换血管
理论上来讲，所有的材料都可以打印，但实际上现在用于生物医学领域的打印材料还屈指可数。3D打印生物医用材料的研发之所以困难，其主要原因在于临床上对材料的各种性能有极高的要求，材料的选择受到多种因素的制约，既要考虑材料在打印前后的安全性、生物相容性、降解性能、生物响应性等，又要考虑材料能否达到产业化的要求。所以，3D打印生物医用材料的研发面临巨大的挑战。
目前而言，常用于生物3D打印的材料有金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料。
目前用于研究3D打印的生物医用材料多为塑料，而金属材料具有比塑料更好的力学强度、导电性以及延展性，使其在硬组织修复研究领域具有天然的优越性。目前常用的有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金等。金属的熔融温度比较高，打印的难度较大，所以金属3D打印一般采用SL和SLS方式加工，由金属粉末在紫外光或者高能激光照射下产生的高温实现金属粉末的熔合，逐层叠加得到所需的部件。
主要包括生物陶瓷、生物玻璃、氧化物及磷酸钙陶瓷和医用碳素材料。近年来，针对生物陶瓷制作工艺复杂、成型加工困难的问题，研究者们采用3D打印技术来制备生物陶瓷，并取得了长足的进展，但对生物陶瓷的3D打印研究仅仅局限于硬组织的打印。由于上述的医用陶瓷材料都需要在高温条件下加工成型，所以医用陶瓷材料的3D打印加工通常分为两个阶段：①陶瓷粉末与熔点较低的黏结剂混合均匀后在激光照射下烧结出所设计的模型，但是此时的模型只是在黏结剂的作用下将陶瓷粉末黏结成型，力学性能较差，无法满足应用要求。②在激光烧结后，需要将陶瓷制品放到马弗炉中进行二次烧结。陶瓷粉末的粗细与黏结剂的用量都会影响到陶瓷制品的性能，陶瓷粉末越细，越有利于二次烧结时晶粒生长，陶瓷层的质量越好。黏结剂的用量越大，激光烧结过程越容易，但是会造成二次烧结时零件收缩变大，使制品达不到尺寸精度要求。二次烧结过程的温度控制也会对3D打印陶瓷制品的性能产生影响。
复合材料是指两种以上不同物理结构或者不同化学性质的物质，以微观或宏观形式组合而成的材料，或者是连续相的基体与分散相的增强材料组合的多相材料。这类材料用于人工器官、修复、理疗康复、诊断、检查、治疗等医疗保健领域，并具有良好生物相容性，称为复合生物材料。
与单一组分或结构的生物材料相比，复合生物材料的性能具有可调性。由于单一生物材料用3D打印制成产品会存在一定的不足，将两种或者两种以上的生物材料有机复合在一起，复合材料的各组分既保持性能的相对独立性，又互相取长补短，优化配置，大大改善了单一材料应用中存在的不足。但是对于理化性质差异较大的两种材料，如何利用打印的方法将它们很好地融合在一起，发挥它们组合的最大优势也是目前研究的热点之一。
生物3D打印的皮肤、血管、骨骼等器官已经得到了应用，考虑到自体可为“天然生物反应器”，原位打印技术也应运而生。原位打印是指通过分析缺损部位的组织特征，如形状特征、组织构成，直接在缺损处进行打印和修复的方法。它被提出是因为原位打印是一种快速、简便的修复方式，可以实现损伤的快速修复，而且简化手术过程，减少患者痛苦，提高损伤修复速度。在受伤或者烧伤等需要对伤口进行快速修复的情况下，利用体积小巧的3D生物打印机在伤口处直接进行生物材料的打印，进而对伤口进行修复是一个很好的设想。在手术室进行手术时，也可以通过原位打印的方法对伤口进行修复，比如直接在皮肤损伤处进行原位修复，避免了人造皮肤的体外培养，减少手术时间，利用腔镜等手术器械深入体内进行组织修复，减少手术创伤。除此之外，血管化是目前生物打印中的难题，而原位打印可以利用生物体自身的修复能力在体内形成血管，不需人为制造，这也是原位打印的优势之一。
对原位打印的研究主要集中在皮肤、软骨及颅骨的修复上。皮肤的原位打印是在皮肤缺损处直接进行打印修复。目前，皮肤的原位打印主要由威克森林大学再生医学研究所完成。2011年，他们开发了一台基于喷墨打印的原位打印设备，利用激光扫描系统对伤口进行建模，利用多个微阀喷头在伤口处打印混有成纤维细胞和角质细胞的纤维蛋白和胶原蛋白生物墨水。2012年，他们将原来的成纤维细胞和角质细胞换成了羊水干细胞和骨髓间充质干细胞。结果显示，羊水干细胞可以促进大面积的皮肤损伤修复。2016年，该团队将原来的胶原换成了一种肝素化的透明质酸光固化水凝胶，其可以缓慢释放生长因子，长效促进组织修复。
2010年，康奈尔大学的研究人员开始了原位打印修复软骨及软骨下骨缺损的研究。同年，法国的研究人员利用激光辅助打印技术进行了小鼠颅骨缺损原位修复的初步研究。直到2013年约翰霍普金斯大学的研究人员进行了原位光固化材料修复软骨的临床研究。他们利用可光固化材料作为填充材料，用硫酸软骨素作为黏结剂，将水凝胶粘在缺损内。临床试验入组18个患者（膝内侧股骨髁上有2～4cm 2 的软骨缺损），15人为实验组（水凝胶填充），3人为对照组（不填充）。6个月后，实验组的缺损填充率明显高于对照组，实验组患者疼痛的频率和程度明显下降。显然，该实验方案为原位打印提供了应用基础。
器官或组织的缺损是人类健康问题中最常见、最具毁灭性和最难解决的问题。器官移植被称为20世纪生物医学工程领域中最具有划时代意义的技术，享有21世纪“医学之巅”的美誉。目前，器官供体主要来自器官捐赠。世界卫生组织有关数据统计表明，全世界需紧急器官移植手术的患者数量与所捐赠人体器官的数量比为20∶1。在中国，目前需要肾移植手术的患者约有30万，而每年仅有2 000人接受手术，其比例仅为0.67%。随着器官需求量与捐献量的差距越来越大，组织工程得到快速发展。通过增材制造与细胞打印的结合，可以直接打印出具有层次结构及功能性的人体组织与器官，它有希望从根本上解决移植器官短缺及免疫排斥问题。一方面，它作为临床前的平台对于研究疾病的发病原理和预测新疗法的效果发挥重要的作用；另一方面，这也使得减少甚至完全消除动物实验成为可能。
在传统组织工程中，例如制作患者的异源移植模型，将会涉及患者的活体组织检查、分离和培养致病细胞，最后移植到免疫缺陷的小鼠体内以形成带病小鼠。这一漫长的过程需要使用大量的动物并且耗费大量资金。过去，研究人员投入大量精力研究利用传统制造技术制作无动物体外组织模型。然而，传统再生医学中，要实现对复杂组织和器官三维结构的复制非常难，传统技术手段制作的模型因为结构过于简单，通常不能完全模拟细胞生活的真实环境，大大降低了生物模型的准确性。而3D打印几乎可以完全复制生物组织的微观与宏观结构，达到功能的再生。通过合理调节生物打印的参数，例如打印形式、生物墨水、细胞选择，科学家能制备不同的人造组织和器官，包括肝脏、血管甚至心脏。引进3D打印技术后，方便研究人员制作更为复杂、更具仿生性能的体外组织。
对于面向肌肉、心脏、肾脏等细胞量大、耗氧量高，并对有效传递营养、氧气和排泄代谢废物要求很高的组织和器官，清华大学生物制造中心教授徐弢认为，从技术层面，还至少需要克服三个挑战。首先，需要解决打印过程中脆弱的细胞能否存活、能否发育、是否会变异甚至肿瘤化的问题；其次，3D生物打印机必须满足生物仿生对制造精度及准确性的极高要求；最后，组织及器官是由多材料及多细胞组成的非均质体系，对制造学要求也极高。
以肝脏为例，因为肝脏是药物代谢的主要器官并且对药物毒性高度敏感，所以肝组织工程成为药物检测和高通量药物筛选的新兴领域。肝脏是由80%的肝细胞和20%的非实质细胞组成的复杂器官，其结构和功能的基本单位是呈多面棱柱状的肝小叶。研究人员通过3D打印技术重现了肝脏的复杂结构。日前，美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员利用基于DLP的3D打印技术，精确地将由人类多能性干细胞分化而来的肝祖细胞（hiPSCHPChe）和支持细胞打印成六边形图案。美国德雷塞尔大学的研究人员利用3D打印技术将肝细胞封装在海藻酸钠中组成肝脏微生物模型，用来研究药物的新陈代谢。来自日本的松阪博士等人证实了使用喷射打印技术和逐层组装的方法，可以在芯片上构建由肝细胞和内皮细胞组成的微米级多层膜。这种简化了的肝组织在药物毒性评估方面有很大应用前景。越来越多的生物科技公司也投入到3D打印技术用于培养体外组织的研究中。在2013年，美国生物技术公司Organovo公司使用3D生物打印技术，打印出了部分肝脏薄片，研究结果表明，其过滤营养成分、毒素和药物的功能可维持40天，与之前仅能工作5天的时间相比，这是一个重大的飞跃。此外，最新研制出的肝脏薄片的功能几乎与人体肝脏一样，能够对对乙酰氨基酚（一种替代阿司匹林的解热镇痛药）和其他药物作出反应。
上述3D器官的打印思路是先用生物材料打出“支架”，再在上面进行细胞培养、诱导形成组织，此外还存在另一种更为“科幻”的思路，即用生物活性组织与电子元件相结合打印人体器官。此类人体器官的打印应用研究中，主要是突破以前移植物只是装饰作用的局限性，使得打印的器官具有强大的功能性。如美国普林斯顿大学的科学家们使用3D打印技术打造了一个内嵌电线的3D软骨耳，这只耳朵可以“听”到超越人类听力范围的声音。
虽然3D打印技术在人体器官打印的具体实施过程中存在技术思路上的差异，但其终极的目标都是打印具备相应结构和功能的人体器官并用于移植。
虽然3D打印在生物和医学领域已经有应用，但仍有许多技术问题亟待解决。首先，需要进一步优化3D打印机的关键性能参数，比如制造速度、打印分辨率。其次，目前可打印的生物材料十分有限，迫切需要开发更广泛的3D打印生物材料。因为人体组织和器官在空间上是非均匀物质，所以新材料最好具有在空间结构中容纳多种细胞的能力，这样才能更好地模仿天然组织的形式和功能。此外，大部分生物3D打印技术都需要后处理，比如对于大容量光聚合作用所需的交联剂、常见的热处理、粉末打印中所需的材料过滤等。后处理不仅仅使工艺流程更加复杂、增加了生产时间和产品成本，而且造成了生产安全隐患与产品质量可控性的降低。所以有必要通过新材料的开发或者改进打印技术来消除后处理流程。最后，有关于3D打印产品的监管仍是需要关注的问题。
由上可知，虽然3D打印技术能够快速、准确地满足医疗行业个性化的需求，在医疗行业有着良好的应用前景。然而该技术仍然面临着材料、成本、精度、配套软件等方面的挑战。由于医疗行业的特殊性，制定行业安全标准及完善监管体系也将是影响应用程度的主要因素。
（连 岑）
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