综述：增材制造与表面工程在聚合物生物医学设备领域的协同进展

《ACS Polymers Au》：Synergistic Advances in Additive Manufacturing and Surface Engineering for Polymeric Biomedical Devices

增材制造（AM）聚合物在生物医学领域通过精准控制内部结构和表面性质，推动了个性化医疗设备的发展，尤其在骨组织工程、微流控和药物递送中的应用显著。表面工程技术如等离子体处理、激光改性、聚多巴胺（PDA）涂层等，通过优化表面粗糙度、化学组成和仿生结构，有效提升了材料的生物活性、抗菌性和机械性能。然而，灭菌兼容性和表面改性的长期稳定性仍是临床转化的关键挑战。

　　3D打印技术（AM）正在迅速改变生物医学领域，通过使患者特异性、解剖学复杂结构的制造成为可能，同时实现对内部结构的精确控制。这种技术使生物聚合物的制造更加灵活，适用于软组织和硬组织工程、微流体系统以及药物递送等多样化应用。尽管这些材料具有成本效益、广泛可用性、低密度以及可调节的机械性能和降解特性，但许多医疗级聚合物与哺乳动物细胞和组织的相互作用有限，这在依赖细胞-材料相互作用的生物医学应用中可能成为性能障碍。因此，本综述系统地探讨了适用于AM的聚合物表面修饰技术，以提高其在生物医学领域的性能和功能。

3D打印技术与表面工程的协同作用为实现创新的生物医学解决方案提供了独特的机会。与传统制造技术不同，3D打印能够同时优化内部结构和表面生物活性，从而在生物医学应用中实现更广泛的性能提升。例如，通过调整打印过程中填充密度和图案类型，可以创建具有特定孔隙率的结构，从而增强涂层吸收并改善打印部件的机械性能。同时，将表面处理过程整合到逐层打印流程中，可以确保复杂几何结构上更均匀的涂层覆盖。这种协同作用使得表面工程策略与3D打印技术相结合，成为推动生物医学创新的重要工具。

在生物医学应用中，表面工程可以增强聚合物的生物活性，从而促进细胞附着、代谢活动、增殖和组织再生。例如，通过物理方法如等离子体处理、激光处理和乙酸乙酯浸泡，可以改变聚合物表面的拓扑结构、粗糙度和化学特性，以优化细胞行为。这些方法不仅能够提高表面的亲水性，还能够引入新的化学基团，从而增强材料与生物环境的相互作用。此外，化学修饰方法如碱性水解和聚多巴胺（PDA）功能化，通过引入亲水基团和提供附着位点，进一步增强了表面生物活性。

生物模拟方法则试图复制天然细胞外基质（ECM）的特性，以提供细胞附着和分化的生物物理线索。例如，在骨组织工程中，生物模拟涂层通常包含有机和无机成分，如胶原蛋白和羟基磷灰石（HA），以模拟天然骨的成分。这些涂层不仅促进细胞附着，还通过释放钙离子（Ca2?）和磷酸根离子（PO?3?）来调节骨细胞的分化和矿化。此外，生长因子或肽的引入可以提供生物化学信号，以进一步刺激细胞反应并促进组织再生。例如，骨形态发生蛋白（BMPs）已被广泛研究，特别是BMP-2及其重组形式rhBMP-2，它们被批准用于临床应用，以增强骨支架和植入物的骨诱导性。

功能性材料的使用也是表面工程的重要组成部分，它们可以提供抗菌、抗炎和组织再生等附加功能。例如，二氧化铈（CeO?）纳米颗粒可以通过化学修饰引入，以增强抗菌性能并调节炎症反应。此外，氧化石墨烯（GO）涂层可以通过增加表面粗糙度和亲水性，促进细胞附着和生物活性。这些材料的使用不仅提高了支架的生物相容性，还增强了其在复杂生物环境中的功能适应性。

然而，尽管表面工程在生物医学应用中展现出巨大潜力，但仍然存在一些挑战，例如灭菌兼容性和表面修饰的长期稳定性。灭菌过程可能会对表面修饰产生不利影响，尤其是在涉及长期植入的设备中。因此，需要进一步研究不同灭菌方法对表面修饰的影响，以确保其在临床应用中的安全性和有效性。

综上所述，3D打印技术与表面工程的结合为生物医学领域提供了新的可能性。通过精确控制材料的表面特性，可以显著提高其生物活性和功能性，从而推动个性化医疗的发展。然而，为了实现这些技术的临床转化，还需要解决诸如灭菌兼容性、长期稳定性等关键问题。未来的研究应致力于优化这些表面修饰策略，以确保其在实际应用中的安全性和有效性，同时探索新的材料和方法，以进一步提升3D打印生物聚合物的性能。