一張圖和四類案例了解陶瓷3D打印技術(shù)的醫(yī)療應(yīng)用
魔猴君 行業(yè)資訊 2262天前
陶瓷材料具有輕質(zhì)、耐氧化、耐腐蝕性、耐高溫等特點(diǎn)并具有良好的生物相容性，已被廣泛應(yīng)用于制造牙科、骨科等醫(yī)療器械。但是陶瓷材料因其硬而脆的特性造成加工成型困難，而3D打印這種新型陶瓷加工技術(shù)可在一定程度上解決這個問題。
目前，相較金屬和聚合物材料而言陶瓷材料在3D打印中的應(yīng)用略顯不成熟，陶瓷漿料的粒徑、pH值、顆粒分布、粘度和添加劑都直接影響打印效果，加大了陶瓷漿料制備的困難度，陶瓷3D打印技術(shù)發(fā)展與材料制備技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。但由于陶瓷3D打印技術(shù)可直接打印具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷零件，因此陶瓷3D打印技術(shù)仍具有無可替代的優(yōu)勢及應(yīng)用價值。本期，將通過一張圖及四類應(yīng)用案例與谷友共同了解一下陶瓷3D打印技術(shù)在醫(yī)療中的應(yīng)用情況。
陶瓷3D打印及醫(yī)療中應(yīng)用的陶瓷材料
光固化3D打印是市場上最常見的陶瓷3D打印技術(shù)，原理是通過光固化3D打印設(shè)備對混合著陶瓷顆粒和光敏樹脂的漿料進(jìn)行固化成形，打印完成后再將陶瓷打印件進(jìn)行脫脂、熱處理，得到具有最終性能和尺寸的致密陶瓷件。在應(yīng)用中，雖然同樣是使用光固化3D打印技術(shù)，但制造出的陶瓷件性能卻可能截然不同，這與陶瓷漿料配方密切相關(guān)。大多數(shù)陶瓷 3D 打印機(jī)限于”氧化物陶瓷材料”低熔點(diǎn)陶瓷打印，但也有一些陶瓷漿料配方是高溫陶瓷，美國HRL實(shí)驗(yàn)室就發(fā)明了可兼容與光固化3D打印的預(yù)制陶瓷漿料配方，這種材料在3D打印后經(jīng)過過火可以生成致密的陶瓷部件。它使能夠產(chǎn)生任意多邊形陶瓷部件，強(qiáng)大且無溫度彈性，陶瓷表面無任何加工，不需鑄造或嵌塞，HRL 的陶瓷材料使陶瓷光固化3D打印技術(shù)能夠用于開發(fā)耐高溫的航空航天零部件。
除了光固化3D打印技術(shù)，還有幾種技術(shù)也可以制造陶瓷材料，例如：英國化學(xué)巨頭莊信萬豐（JM）應(yīng)用的粘合劑噴射陶瓷3D打印技術(shù)；德國Fraunhofer陶瓷技術(shù)和IKTS 系統(tǒng)研究所研發(fā)的一種將陶瓷粉末與熱塑性粘合劑混合，并通過打印機(jī)熔化粘合劑，以液滴形式沉積下來的陶瓷3D打印技術(shù)；以色列Xjet 公司基于材料噴射工藝的納米陶瓷射流3D打印技術(shù)。參考閱讀：莊信萬豐建立的陶瓷3D打印工廠為哪般？
在醫(yī)療中應(yīng)用陶瓷根據(jù)材料屬性的不同可以分為兩類：
一類是高性能陶瓷，如氧化鋯、氧化鋁、氮化硅，這類陶瓷材料不會降解，由于其出色的機(jī)械性能，耐磨性，低導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性以及優(yōu)良的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于生產(chǎn)永久性植入物及義齒等醫(yī)療器械。
另一類是可降解的陶瓷材料，如：羥基磷灰石、碳酸三鈣等，由于這類陶瓷材料與骨骼的無機(jī)成分相似，而被于制造可降解的植入物，典型的應(yīng)用是制造骨修復(fù)支架。通過在愈合過程中材料的降解，可以向細(xì)胞提供必要的離子，并為細(xì)胞向內(nèi)生長創(chuàng)造空間。
多樣化的醫(yī)療應(yīng)用
- 心臟起搏器泵
維也納科技大學(xué)和維也納醫(yī)科大學(xué)的研究人員使用Lithoz 基于光固化工藝的LCM 3D打印技術(shù)作為心臟起搏器泵的制造方法。研究項(xiàng)目中開發(fā)的心臟泵旨在為病人提供心臟手術(shù)后的臨時心臟輔助泵，該裝置與主動脈內(nèi)氣囊泵結(jié)合，可為冠狀動脈血管優(yōu)化供血，在關(guān)鍵的愈合階段緩解心臟壓力。
由高純度氧化鋁制成的心臟起搏器泵的部件 ,圖片來源：Lithoz （注：圖中部件比實(shí)際放大了10倍以上）
項(xiàng)目組采用的心臟起搏器泵陶瓷材料為氧化鋁，該具有優(yōu)良的生物相容性、生物惰性和較高的表面光潔度。通過Lithoz的LCM打印工藝，可以在短時間內(nèi)便捷的生產(chǎn)、測試、優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。
- 個性化骨修復(fù)器械
骨缺損修復(fù)器械用于骨折修復(fù)手術(shù)，作用是將骨折端固定在一起，同時固定骨折部位。傳統(tǒng)器械由金屬材料制成，并且由外科醫(yī)生在手術(shù)室中適當(dāng)彎曲調(diào)整。
林茨開普勒大學(xué)醫(yī)院采用Lithoz的陶瓷3D打印技術(shù)開發(fā)了個性化的骨修復(fù)器械。3D打印技術(shù)，林茨開普勒大學(xué)醫(yī)院能夠根據(jù)患者醫(yī)學(xué)影像設(shè)計(jì)出所需的修復(fù)器械，減少在手術(shù)現(xiàn)場進(jìn)行手工彎曲調(diào)整的需要。同時，與常規(guī)使用的材料（如鈦合金）相比，使用具有高耐磨性和最高彈性的氧化鋯陶瓷不會出現(xiàn)在使用過程中金屬修復(fù)件磨損產(chǎn)生的顆粒。
- 氧化鋯義齒
博力邁的定制化義齒產(chǎn)品已獲得醫(yī)療器械注冊證，這款定制式固定義齒包括全瓷冠、全瓷橋兩種型號，使用具有醫(yī)療器械注冊證書的氧化鋯瓷塊（或瓷粉）制成。
博力邁科技研發(fā)了陶瓷3D打印機(jī)，并推出3D打印氧化鋯陶瓷義齒生產(chǎn)線，由患者牙模數(shù)字化掃描與建模、義齒三維設(shè)計(jì)、3D打印義齒生坯、脫脂與高溫?zé)Y(jié)、上釉等工序組成。
- 可降解的骨修復(fù)植入物/支架
以上三類應(yīng)用案例制造材料均為高性能陶瓷材料，接下來的骨修復(fù)植入物/支架則是使用可降解陶瓷材料制造的。
Lithoz、3DCeram等公司的光固化陶瓷3D打印技術(shù)與材料都能夠用于制造骨修復(fù)植入物/支架，如通過磷酸三鈣陶瓷漿料3D打印用于骨增強(qiáng)或修復(fù)的可降解支架。
國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)在陶瓷3D打印骨修復(fù)支架領(lǐng)域也有多項(xiàng)成果。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在3D打印生物陶瓷支架用于骨-軟骨再生及骨腫瘤治療方面取得了系列研究進(jìn)展。在這些研究中研究團(tuán)隊(duì)利用溶膠凝膠法合成多元硅酸鈣鋰(Li4Ca4Si4O13)生物陶瓷，并通過3D打印方法制備了其多孔生物陶瓷支架，得到的硅酸鈣鋰支架形貌可控、大小均一，其抗壓強(qiáng)度可以通過控制孔徑大小來調(diào)控。這些技術(shù)的應(yīng)用方向是修復(fù)關(guān)節(jié)炎患者受損的軟骨。
臨床方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，2018年2月，西京醫(yī)院骨科開展了3D打印支架長段骨缺損修復(fù)的臨床試驗(yàn)。3D打印支架由西安點(diǎn)云生物科技有限公司采用無絲3D打印技術(shù)為患者量身定制，材料為生物相容性的陶瓷復(fù)合材料，能夠在誘導(dǎo)患者自身新骨生成的同時逐漸降解，最終被患者的新生骨組織完全替代，無需二次手術(shù)取出，降低植入物在體內(nèi)長期存在的潛在風(fēng)險。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究與發(fā)展中心利用先進(jìn)的低溫3D打印技術(shù)，將具有促成骨和成血管活性的金屬鎂，均勻復(fù)合入PLGA/TCP（乙交酯-丙交酯共聚物/磷酸三鈣）可降解多孔支架中，通過3D打印賦予此產(chǎn)品理想的促成骨仿生結(jié)構(gòu)，孔隙之間具有很高的連通率，這種結(jié)構(gòu)特征在組織學(xué)具有理想的骨傳導(dǎo)作用，可提高骨細(xì)胞粘附、增殖和遷移，促進(jìn)骨組織的生長。目前這一技術(shù)已進(jìn)入國家食品藥品監(jiān)督管理總局（CFDA）醫(yī)療器械技術(shù)審評中心發(fā)布的最新一期《創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審批申請審查結(jié)果公示》（2018年第7號）。
