《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Closing the loop in healthcare: chemically recycled ABS for 3D printing of medical device
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引言： 三维（3D）打印技术与医疗点（Point-of-Care, POC）医疗保健的融合，使得患者特异性医疗器械（包括解剖模型和手术导板）得以快速生产。然而，增材制造在临床场景中的日益普及引发了与原生聚合物消耗及塑料废弃物产生相关的环境担忧。基于回收材料的循
引言： 三维（3D）打印技术与医疗点（Point-of-Care, POC）医疗保健的融合，使得患者特异性医疗器械（包括解剖模型和手术导板）得以快速生产。然而，增材制造在临床场景中的日益普及引发了与原生聚合物消耗及塑料废弃物产生相关的环境担忧。基于回收材料的循环经济（Circular Economy, CE）方法可能代表一种更具可持续性的替代方案，前提是医疗应用的安全性、生物相容性和制造要求得以保留。本研究探讨了使用化学回收丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（acrylonitrile butadiene styrene, ABS）通过熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）制造非植入性医疗器械的可行性。
方法： 本研究所用的化学回收ABS采用Versalis专有技术生产。研究人员首先对回收ABS进行化学表征，以评估其生物医学应用的适用性。随后将其加工为1.75 mm丝材，并在ISO 13485认证实验室中用于制造标准化试样和概念验证的患者特异性器械。研究人员评估了尺寸精度和工艺可重复性，同时根据ISO 10993-5标准，使用L929成纤维细胞通过直接细胞毒性试验评估生物学性能。结果与经认证的医用级ABS参考材料所获得的结果进行了比较。
结果： 化学回收ABS显示出符合当前法规要求的化学特征，并成功加工为高质量的FDM丝材和打印组件。打印试样表现出高尺寸精度和可重复性，支持该材料适用于几何要求严苛的医疗应用。细胞毒性试验证实，回收ABS在所有测试形态中均无细胞毒性，3D打印样品的细胞相容性特征与经认证的医用级ABS参考材料相当。此外，患者特异性解剖模型和手术导板均成功制造，证明了该材料在临床相关POC工作流程中的适用性。
讨论： 总体而言，这些发现表明，化学回收ABS代表了在FDM制造非植入性医疗器械中替代原生聚合物的有前景且可持续的方案。本研究提供了证据，表明循环材料可以在不损害本研究评估的安全性、生物相容性或制造性能的前提下整合到医院增材制造中，从而支持向更可持续的医疗点生产系统过渡。
论文解读
一、研究背景与意义
增材制造（Additive Manufacturing, AM）在临床环境中的整合经历了指数级增长，已从一种小众实验工具转变为现代医疗保健的基础技术。医疗点（Point-of-Care, POC）3D打印允许在本地制造患者特异性解剖模型和手术导板，已被证明能显著改善临床结局并缩短手术时间。然而，这一技术变革发生在一个面临严峻环境挑战的行业之中。医疗保健行业是资源的重要消耗者和排放的主要生产者，平均每家医院每张床位每天产生约0.5公斤废弃物。目前，该行业严重依赖线性的“获取-制造-处置”模式，塑料约占全球医疗保健相关废弃物的35%。这为采用循环经济（Circular Economy, CE）模式提供了关键机遇，该模式在最大限度减少废弃物和能源消耗的同时最大化材料价值。
增材制造因其增材特性和无需传统模具系统即可制造定制工具的能力，被公认为一种可持续的生产技术。通过将塑料废弃物回收为功能性丝材来实现可持续3D打印实践，已展现出显著的经济效益潜力，成本节省最高可达85%，同时大幅降低医疗制造的碳足迹。然而，在医疗保健领域实施面向循环经济目标的增材制造引发了悖论性张力：回收利用以闭合材料循环的愿望与满足医疗标准的优质原材料严格要求之间存在冲突。医疗保健行业必须遵守关于无菌性、精度和材料质量的严格监管要求，任何微小的污染物残留都可能危及患者安全。此外，增材制造塑料的标准机械回收通常面临材料降解和潜在污染方面的挑战，使其难以整合到受监管的生物医学环境中。虽然机械回收策略已被积极探索用于从汽车和废弃电子电气设备（Waste Electrical and Electronic Equipment, WEEE）行业回收工业后ABS共混物，但通常需要复杂的混合物设计来缓解固有性能退化。
为解决这些矛盾并克服结构性限制，研究人员提出从标准机械回收向更先进的化学回收过渡。机械回收聚合物可能存在质量不均的问题，而化学回收材料提供与原生聚合物完全相同的特性，确保一致性并消除危险污染。本研究作为该化学回收材料技术和生物学性能的可行性验证，通过将回收ABS颗粒转化为定制1.75 mm丝材，严格评估灭菌后的尺寸稳定性和细胞相容性。最终目标是促进生物医学领域的具体循环经济实践，确保3D打印器械在增材制造热应力过程中保持生物安全性并避免细胞毒性降解。
二、研究设计与主要技术方法
研究人员开展了一项系统性的多阶段研究，主要涉及以下几个关键技术方法：
化学回收ABS原料制备： 本研究选用Versalis提供的化学回收ABS作为目标材料，该回收原料通过基于热解衍生循环原料并经质量平衡方法分配的认证化学回收途径获得。在此框架下，回收投入通过经过验证的核算系统进行追踪，使相应份额的回收含量可归属于最终聚合物产品。
化学与法规筛选： 研究人员对Versalis提供的机械回收ABS流进行了化学和法规筛查，包括热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）以评估灰分残留和填料含量，卤素和痕量金属的靶向定量，以及次级聚合物、残留单体、有机添加剂和挥发性化合物的筛查。化学特征依据相关法规框架进行评估，包括REACH法规附件XVII、RoHS指令和IEC 61249-2-21卤素限制标准。
丝材挤出与3D打印设置： 化学验证后，研究人员将回收ABS颗粒转化为可打印材料。预干燥条件（包括特定温度和时间参数）被评估并应用于工业回收颗粒。挤出过程使用3Devo Filament Maker ONE配置以精确瞄准1.75 mm丝材直径。所有3D打印操作均在ISO 13485认证的大学实验室中进行，以确保符合医疗制造质量标准。
工艺表征与几何验证： 研究人员制造了标准化测试工件以定量表征材料的可打印性、尺寸稳定性和几何保真度，包括温度塔、目标CAD尺寸为25.00 mm的三个实心测试立方体、目标壁厚为1.20 mm的流动测试试样以及ISO 527-2狗骨形试样。
体外直接细胞毒性试验： 根据ISO 10993-5标准进行直接细胞毒性测试。L929细胞以5×105细胞/孔的密度接种于24孔板中，在37°C、含5% CO2的湿润气氛中培养至约70%汇合度。测试了不同ABS材料形态（每种材料N=3）：原始ABS颗粒（仅来自Versalis）、挤出ABS丝材和3D打印ABS圆柱体。所有材料样品在细胞暴露前使用汽化过氧化氢灭菌。细胞暴露24小时后，使用alamarBlue?试剂盒评估细胞活力，在570 nm和600 nm处测量吸光度。每个实验条件在三个独立实验中评估，每个实验进行技术性三重复。
概念验证临床原型制造： 在技术和生物学表征完成后，研究人员制造了功能性原型，包括解剖模型和患者特异性手术切割导板，以验证材料在复杂、真实世界医疗器械设计中的性能和几何精度。
三、研究结果
3.1 化学-物理特性、可持续性与法规筛查
对来自WEEE和汽车行业的机械回收ABS流的初步分析评估确认了所供应材料中不存在被禁止的危险物质。卤素、填料和痕量金属分析结果以及次级聚合物和非有意添加物质（non-intentionally added substances, NIAS）特征均被详细记录。尽管机械回收ABS流在初步筛查中未显示被禁止物质，但化学回收ABS被选择用于后续实验验证，因为该途径预期提供更可控和可重复的原料，技术规格与传统原生ABS等级相当，且与异质机械回收流相关的污染风险更低。
3.2 原生材料的丝材生产和3D打印验证
在初步基准测试阶段，研究人员评估了四种原生ABS配方（Impressio ABS D11、Impressio ABS B10、Impressio ABS C02和Impressio ABS C06 P），以确定最适合FDM的等级。所选等级表现出最有利的打印行为，特点是改善的层间附着、有限的热翘曲和良好的表面质量。可打印性和尺寸稳定性通过制造标准化ISO/FDIS 527-2狗骨形试样、目标尺寸为25.00 mm的实心立方体和目标壁厚为1.20 mm的流动测试试样进一步评估。
3.3 化学回收ABS的可打印性和几何验证
基于原生配方建立的基础参数，化学回收ABS颗粒向连续1.75 mm丝材的物理转化得以稳定实现。3D打印测试表明，化学回收材料具有优异的几何保真度，这是制造精密手术器械（如椎弓根螺钉导板）的关键且不可妥协的要求。定量尺寸分析显示，3D打印实心立方体实现了24.93 mm的平均尺寸（CAD目标为25.00 mm），标准偏差仅为0.02 mm，表明具有高度可靠和可重复的尺寸稳定性且体积收缩极小。流动测试显示测量平均厚度为1.22 mm，标准偏差为0.01 mm，确认了材料沉积阶段优异的流变控制。标准化ISO 527 Type 1A和Type 1B试样的平均百分比偏差在主要机械轴上始终低于1.5%。
3.4 化学灭菌过程和生物相容性
根据ISO 10993-5标准，当细胞活力相对于阴性对照保持在70%以上时，材料被视为无细胞毒性。Versalis化学回收ABS的所有测试配置均显示高于此阈值的细胞活力值，表明在所研究条件下不存在细胞毒性效应。具体而言，原始Versalis ABS颗粒的细胞活力为77.52%，Versalis ABS丝材为79.73%，3D打印Versalis ABS样品为76.10%。与经认证的医用级ABS参考材料相比，3D打印Versalis ABS显示相当的细胞相容性特征：3D打印Versalis ABS为76.10%，3D打印医用级ABS为75.84%。值得注意的是，虽然医用级ABS丝材显示接近接受阈值的活力值（70.75%），但Versalis ABS丝材保持了更高的细胞活力（79.73%）。
3.5 患者特异性原型的概念验证制造
为评估化学回收ABS在临床相关POC工作流程中的实际适用性，研究人员通过FDM制造了概念验证的患者特异性原型。该材料成功用于打印代表性解剖模型、手术导板和其他具有复杂几何形状的非植入性原型。目视检查确认了预期设计的完整制造，具有足够的表面质量且无明显宏观缺陷、分层或严重翘曲。这些发现支持使用化学回收ABS通过医疗点增材制造生产定制非植入性医疗器械和配件的可行性。
四、讨论与结论
本研究为化学回收ABS作为生物医学增材制造原料的潜在用途提供了初步证据，支持将循环经济原则整合到医疗制造工作流程中。化学回收ABS在加工后表现出低于1.5%的平均尺寸偏差，表明回收、挤出和打印步骤未显著影响打印样品的几何保真度。直接细胞毒性测试显示，Versalis化学回收ABS在所有测试配置中均无细胞毒性，细胞活力值高于ISO 10993-5定义的70%阈值。与经认证的医用级ABS参考材料相比，3D打印化学回收ABS显示出相当的生物学响应。总体而言，结果表明化学回收ABS可能代表通过增材制造生产选定非植入性医疗应用的有前景材料。通过展示生物相容性和结构完整性，这种升级回收的ABS等级完全符合医院制造工作流程的严格要求，为医疗点生产系统向更可持续方向过渡提供了有力支持。
