一张图和四类案例了解陶瓷3D打印技术的医疗应用

陶瓷材料具有轻质、耐氧化、耐腐蚀性、耐高温等特点并具有良好的生物相容性，已被广泛应用于制造牙科、骨科等医疗器械。但是陶瓷材料因其硬而脆的特性造成加工成型困难，而3D打印这种新型陶瓷加工技术可在一定程度上解决这个问题。

目前，相较金属和聚合物材料而言陶瓷材料在3D打印中的应用略显不成熟，陶瓷浆料的粒径、pH值、颗粒分布、粘度和添加剂都直接影响打印效果，加大了陶瓷浆料制备的困难度，陶瓷3D打印技术发展与材料制备技术的发展密切相关。但由于陶瓷3D打印技术可直接打印具有复杂结构的陶瓷零件，因此陶瓷3D打印技术仍具有无可替代的优势及应用价值。

本期，3D科学谷将通过一张图及四类应用案例与谷友共同了解一下陶瓷3D打印技术在医疗中的应用情况。

光固化3D打印是市场上最常见的陶瓷3D打印技术，原理是通过光固化3D打印设备对混合着陶瓷颗粒和光敏树脂的浆料进行固化成形，打印完成后再将陶瓷打印件进行脱脂、热处理，得到具有最终性能和尺寸的致密陶瓷件。

在应用中，虽然同样是使用光固化3D打印技术，但制造出的陶瓷件性能却可能截然不同，这与陶瓷浆料配方密切相关。大多数陶瓷 3D 打印机限于”氧化物陶瓷材料”低熔点陶瓷打印，但也有一些陶瓷浆料配方是高温陶瓷，美国HRL实验室就发明了可兼容与光固化3D打印的预制陶瓷浆料配方，这种材料在3D打印后经过过火可以生成致密的陶瓷部件。它使能够产生任意多边形陶瓷部件，强大且无温度弹性，陶瓷表面无任何加工，不需铸造或嵌塞，HRL 的陶瓷材料使陶瓷光固化3D打印技术能够用于开发耐高温的航空航天零部件。

除了光固化3D打印技术，还有几种技术也可以制造陶瓷材料，例如：英国化学巨头庄信万丰（JM）应用的粘合剂喷射陶瓷3D打印技术；德国Fraunhofer陶瓷技术和IKTS 系统研究所研发的一种将陶瓷粉末与热塑性粘合剂混合，并通过打印机熔化粘合剂，以液滴形式沉积下来的陶瓷3D打印技术；以色列Xjet 公司基于材料喷射工艺的纳米陶瓷射流3D打印技术。参考阅读：庄信万丰建立的陶瓷3D打印工厂为哪般？

在医疗中应用陶瓷根据材料属性的不同可以分为两类：

一类是高性能陶瓷，如氧化锆、氧化铝、氮化硅，这类陶瓷材料不会降解，由于其出色的机械性能，耐磨性，低导热性和导电性以及优良的生物相容性等优点，被广泛用于生产永久性植入物及义齿等医疗器械。

另一类是可降解的陶瓷材料，如：羟基磷灰石、碳酸三钙等，由于这类陶瓷材料与骨骼的无机成分相似，而被于制造可降解的植入物，典型的应用是制造骨修复支架。通过在愈合过程中材料的降解，可以向细胞提供必要的离子，并为细胞向内生长创造空间。

维也纳科技大学和维也纳医科大学的研究人员使用Lithoz 基于光固化工艺的LCM 3D打印技术作为心脏起搏器泵的制造方法。研究项目中开发的心脏泵旨在为病人提供心脏手术后的临时心脏辅助泵，该装置与主动脉内气囊泵结合，可为冠状动脉血管优化供血，在关键的愈合阶段缓解心脏压力。

项目组采用的心脏起搏器泵陶瓷材料为氧化铝，该具有优良的生物相容性、生物惰性和较高的表面光洁度。通过Lithoz的LCM打印工艺，可以在短时间内便捷的生产、测试、优化设计模型。

- 个性化骨修复器械

骨缺损修复器械用于骨折修复手术，作用是将骨折端固定在一起，同时固定骨折部位。传统器械由金属材料制成，并且由外科医生在手术室中适当弯曲调整。

林茨开普勒大学医院采用Lithoz的陶瓷3D打印技术开发了个性化的骨修复器械。3D打印技术，林茨开普勒大学医院能够根据患者医学影像设计出所需的修复器械，减少在手术现场进行手工弯曲调整的需要。同时，与常规使用的材料（如钛合金）相比，使用具有高耐磨性和最高弹性的氧化锆陶瓷不会出现在使用过程中金属修复件磨损产生的颗粒。

- 氧化锆义齿

博力迈的定制化义齿产品已获得医疗器械注册证，这款定制式固定义齿包括全瓷冠、全瓷桥两种型号，使用具有医疗器械注册证书的氧化锆瓷块（或瓷粉）制成。

博力迈科技研发了陶瓷3D打印机，并推出3D打印氧化锆陶瓷义齿生产线，由患者牙模数字化扫描与建模、义齿三维设计、3D打印义齿生坯、脱脂与高温烧结、上釉等工序组成。

- 可降解的骨修复植入物/支架

以上三类应用案例制造材料均为高性能陶瓷材料，接下来的骨修复植入物/支架则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打印技术与材料都能够用于制造骨修复植入物/支架，如通过磷酸三钙陶瓷浆料3D打印用于骨增强或修复的可降解支架。

国内研究机构在陶瓷3D打印骨修复支架领域也有多项成果。中国科学院上海硅酸盐研究所研究员吴成铁与常江带领的研究团队在3D打印生物陶瓷支架用于骨-软骨再生及骨肿瘤治疗方面取得了系列研究进展。在这些研究中研究团队利用溶胶凝胶法合成多元硅酸钙锂(Li4Ca4Si4O13)生物陶瓷，并通过3D打印方法制备了其多孔生物陶瓷支架，得到的硅酸钙锂支架形貌可控、大小均一，其抗压强度可以通过控制孔径大小来调控。这些技术的应用方向是修复关节炎患者受损的软骨。

临床方面，根据3D科学谷的市场观察，2018年2月，西京医院骨科开展了3D打印支架长段骨缺损修复的临床试验。3D打印支架由西安点云生物科技有限公司采用无丝3D打印技术为患者量身定制，材料为生物相容性的陶瓷复合材料，能够在诱导患者自身新骨生成的同时逐渐降解，最终被患者的新生骨组织完全替代，无需二次手术取出，降低植入物在体内长期存在的潜在风险。

中国科学院深圳先进技术研究院医工所转化医学研究与发展中心利用先进的低温3D打印技术，将具有促成骨和成血管活性的金属镁，均匀复合入PLGA/TCP（乙交酯-丙交酯共聚物/磷酸三钙）可降解多孔支架中，通过3D打印赋予此产品理想的促成骨仿生结构，孔隙之间具有很高的连通率，这种结构特征在组织学具有理想的骨传导作用，可提高骨细胞粘附、增殖和迁移，促进骨组织的生长。目前这一技术已进入国家食品药品监督管理总局（CFDA）医疗器械技术审评中心发布的最新一期《创新医疗器械特别审批申请审查结果公示》（2018年第7号）。

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参考资料：
-Prof. DI Dr. Heinz Redl-维也纳路德维希玻尔兹曼实验和临床创伤研究所,Dr. Daniel Bomze-Lithoz. 高精度陶瓷3D打印在医疗行业的多种应用.
-杨孟孟.陶瓷3D打印技术综述.
-Effect of MgO Particle Sizeo nthe Microstructure Mechanical Properties and Wear Performance of ZTA-MgO Ceramic Cutting Inserts.
-6 Things You Need To Know About Ceramic 3D Printing.
-The Effects of CeO2 Additionon the Physical，Microstructural and Mechanical Properties of Yttria -Stabilized Zirconia Toughened Alumina.

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