陶瓷材料具有輕質、耐氧化、耐腐蝕性、耐高溫等特點并具有良好的生物相容性，已被廣泛應用于制造牙科、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打印技術發(fā)展與材料制備技術的發(fā)展密切相關。但由于陶瓷3D打印技術可直接打印具有復雜結構的陶瓷零件，因此陶瓷3D打印技術仍具有無可替代的優(yōu)勢及應用價值。本期，將通過一張圖及四類應用案例與谷友共同了解一下陶瓷3D打印技術在醫(yī)療中的應用情況。

陶瓷3D打印及醫(yī)療中應用的陶瓷材料

     光固化3D打印是市場上最常見的陶瓷3D打印技術，原理是通過光固化3D打印設備對混合著陶瓷顆粒和光敏樹脂的漿料進行固化成形，打印完成后再將陶瓷打印件進行脫脂、熱處理，得到具有最終性能和尺寸的致密陶瓷件。在應用中，雖然同樣是使用光固化3D打印技術，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。大多數陶瓷 3D 打印機限于”氧化物陶瓷材料”低熔點陶瓷打印，但也有一些陶瓷漿料配方是高溫陶瓷，美國HRL實驗室就發(fā)明了可兼容與光固化3D打印的預制陶瓷漿料配方，這種材料在3D打印后經過過火可以生成致密的陶瓷部件。它使能夠產生任意多邊形陶瓷部件，強大且無溫度彈性，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，還有幾種技術也可以制造陶瓷材料，例如：英國化學巨頭莊信萬豐（JM）應用的粘合劑噴射陶瓷3D打印技術；德國Fraunhofer陶瓷技術和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，并通過打印機熔化粘合劑，以液滴形式沉積下來的陶瓷3D打印技術；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。參考閱讀：莊信萬豐建立的陶瓷3D打印工廠為哪般？

在醫(yī)療中應用陶瓷根據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，由于其出色的機械性能，耐磨性，低導熱性和導電性以及優(yōu)良的生物相容性等優(yōu)點，被廣泛用于生產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成分相似，而被于制造可降解的植入物，典型的應用是制造骨修復支架。通過在愈合過程中材料的降解，可以向細胞提供必要的離子，并為細胞向內生長創(chuàng)造空間。

多樣化的醫(yī)療應用

- 心臟起搏器泵

    維也納科技大學和維也納醫(yī)科大學的研究人員使用Lithoz 基于光固化工藝的LCM 3D打印技術作為心臟起搏器泵的制造方法。研究項目中開發(fā)的心臟泵旨在為病人提供心臟手術后的臨時心臟輔助泵，該裝置與主動脈內氣囊泵結合，可為冠狀動脈血管優(yōu)化供血，在關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：圖中部件比實際放大了10倍以上）

項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，可以在短時間內便捷的生產、測試、優(yōu)化設計模型。

- 個性化骨修復器械

骨缺損修復器械用于骨折修復手術，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)生在手術室中適當彎曲調整。

林茨開普勒大學醫(yī)院采用Lithoz的陶瓷3D打印技術開發(fā)了個性化的骨修復器械。3D打印技術，林茨開普勒大學醫(yī)院能夠根據患者醫(yī)學影像設計出所需的修復器械，減少在手術現場進行手工彎曲調整的需要。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在使用過程中金屬修復件磨損產生的顆粒。

- 氧化鋯義齒

博力邁的定制化義齒產品已獲得醫(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，并推出3D打印氧化鋯陶瓷義齒生產線，由患者牙模數字化掃描與建模、義齒三維設計、3D打印義齒生坯、脫脂與高溫燒結、上釉等工序組成。

- 可降解的骨修復植入物/支架

以上三類應用案例制造材料均為高性能陶瓷材料，接下來的骨修復植入物/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打印技術與材料都能夠用于制造骨修復植入物/支架，如通過磷酸三鈣陶瓷漿料3D打印用于骨增強或修復的可降解支架。

國內研究機構在陶瓷3D打印骨修復支架領域也有多項成果。中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領的研究團隊在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展。在這些研究中研究團隊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，其抗壓強度可以通過控制孔徑大小來調控。這些技術的應用方向是修復關節(jié)炎患者受損的軟骨。

臨床方面，根據3D科學谷的市場觀察，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的臨床試驗。3D打印支架由西安點云生物科技有限公司采用無絲3D打印技術為患者量身定制，材料為生物相容性的陶瓷復合材料，能夠在誘導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，無需二次手術取出，降低植入物在體內長期存在的潛在風險。

     中國科學院深圳先進技術研究院醫(yī)工所轉化醫(yī)學研究與發(fā)展中心利用先進的低溫3D打印技術，將具有促成骨和成血管活性的金屬鎂，均勻復合入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打印賦予此產品理想的促成骨仿生結構，孔隙之間具有很高的連通率，這種結構特征在組織學具有理想的骨傳導作用，可提高骨細胞粘附、增殖和遷移，促進骨組織的生長。目前這一技術已進入國家食品藥品監(jiān)督管理總局（CFDA）醫(yī)療器械技術審評中心發(fā)布的最新一期《創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審批申請審查結果公示》（2018年第7號）。

來源：3d打印網

編輯：董強