解析：3D打印材料及其應用概述(2)
根據3D 打印方法的不同，要求材料的形態也有所不同。熔融沉積成形（Fused Deposition Modeling，FDM）使用的是絲材，激光選區燒結（Selective Laser Sintering，SLS）則使用的是粉材。由于工業上常用的聚合物原料大多以顆粒為主，制成絲材或粉材都要進行二次加工，提高了3D打印耗材的使用成本，目前也有一些單位開始研發以顆粒為原料的3D打印裝備。下面對幾種有代表性的材料進行介紹。
PLA 和ABS 是FDM 最常用的耗材，因價格便宜而十分普及。ABS 是常見的工程塑料，具有較好的機械性能，但3D 打印條件要求苛刻，在打印過程中容易產生翹曲變形，且易產生刺激性氣味。PLA 是可降解的環保塑料，打印性能較好，是一種較為理想的3D 打印熱塑性聚合物，已廣泛應用于教育、醫療、建筑、模具設計等行業。此外，PLA 還具有良好的生物相容性，加入羥基磷灰石改性的PLA可用于組織工程支架的制造。
PA是一種半晶態聚合物，經SLS成形后能得到高致密度且高強度的零件，是SLS 的主要耗材之一。SLS中所使用的PA需具有較高的球形度及粒徑均勻性，通常采用低溫粉碎法制備得到。通過加入玻璃微珠、粘土、鋁粉、碳纖維等無機材料可制備出PA復合粉末，這些無機填料的加入能顯著提高某些方面的性能，如強度、耐熱性能、導電性等，以滿足不同領域的應用需求。
PCL 是一種無毒、低熔點的熱塑性塑料，PCL絲材主要作為兒童使用的3D打印筆的耗材，因成形溫度較低（80~100°C）而有較高的安全性。值得一提的是，PCL具有優異的生物相容性和降解性，可以作為生物醫療中組織工程支架的材料，通過摻雜納米羥基磷灰石等材料還能夠改善力學性能及生物相容性。此外PCL 材料還具有一定的形狀記憶效應，在4D打印方面有一定的潛力。
TPU 是一種具有良好彈性的熱塑性聚合物，其硬度范圍寬且可調，有一定的耐磨性、耐油性，適用于鞋材、個人消費品、工業零件等的制造。結合3D打印技術可以制造出傳統成形工藝難以制造的復雜多孔結構，使得制件擁有獨特且可調控的力學性能。采用SLS 工藝打印的多孔結構TPU鞋墊的彈性性能和使用強度已達到市場使用標準。
PEEK 是一種半晶態聚合物，具有高熔點（343°C）和優異的力學性能，生物相容性也十分出色， 是目前研究較熱的3D 打印材料。純PEEK 的楊氏模量為3.86±0.72 GPa，經碳纖維增強后可達21.1±2.3 GPa，與人骨的楊氏模量最為接近，可以有效避免植入人體后與人骨產生的應力遮擋以及松動現象，是一種理想的骨科植入物材料。采用3D 打印技術制造的PEEK 植入體（圖1）能夠很好地滿足不同患者不同病情的個性化植入物定制需求，目前國內3D打印PEEK植入物已經在臨床上取得了較好的效果。
圖1 胸骨假體CAD模型及實物
水凝膠是一種具有交聯三維網絡的高分子結構，能夠吸收并保持大量的水分（可達99%）。根據聚合物來源的不同，可分為天然水凝膠與合成水凝膠。前者如明膠、瓊脂、海藻酸鈉等具有較高的溶脹性，機械性能相對較差，限制了其應用范圍。后者由于水凝膠的成分、結構、交聯度可調，使得合成水凝膠的各項性能可以在較大范圍內進行調控；同時，合成水凝膠重復性好，能夠進行大規模的生產制造，因此得到國內外研究人員的廣泛關注。
傳統的水凝膠已經在制造隱形眼鏡、創傷修復中取得了較多的應用。水凝膠作為組織工程的理想材料，在該領域的應用前景十分廣闊。除此之外，水凝膠還可以作為傳感器的材料，這是利用了它的膨脹行為和擴散系數隨著周圍環境變化的特性。傳統水凝膠成形主要依靠模具，無法制造復雜結構；采用3D 打印技術成形水凝膠，不僅能夠實現復雜形狀的制造，還能實現復雜孔隙甚至梯度結構的制造，使得3D打印的水凝膠具有傳統制造方式無法獲得的性能。此外，水凝膠中可以加入活細胞，使得3D打印人體器官成為可能。
水凝膠的3D打印方法包括光固化成形及直寫成形（Direct Ink Writing，DIW）。用于光固化成形的水凝膠成分與光敏樹脂類似，包括溶劑、單體、交聯劑、光引發劑等，可以添加無機填料以實現水凝膠性能的調控。直寫成形是3D打印水凝膠更普及的一種形式。打印時將水凝膠置于注射器中，采用電腦根據設計的結構控制注射器運動及擠出，擠出的水凝膠在外界條件的刺激（溫度、水分、pH、光照等）下固化。為了滿足3D打印的要求，通常要求水凝膠的固化速度足夠快，或者流變性能滿足在打印時不發生變形，才能實現成功的打印。目前，商業化的水凝膠打印材料較少，大多數都處于實驗室研制階段。
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