3D打印如何为生物陶瓷“逆天改命”

来源：市场资讯

（来源：新型陶瓷）

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前言

生物陶瓷具有强度高、耐磨、耐酸蚀、生物相容性和生物活性等特点，广泛应用于制备齿科植入物、骨移植物及组织工程支架[1]。但由于生物陶瓷的脆性大，使用传统铸造或者切削工艺难以加工成型复杂的结构和形状，采用三维（3-dimensional，3D）打印技术可有效解决该难题，更有效地发挥生物陶瓷的功效。3D打印（又称增材制造）是一种利用计算机辅助设计和数控系统，将材料进行层层堆叠制造实体物品的技术。目前，生物陶瓷3D打印技术主要应用于骨科、齿科及组织工程中，如骨支架、组织支架、牙冠、牙贴面、牙槽瘠等[2]。

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生物陶瓷材料

生物陶瓷分为生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷，两者均有良好生物相容性，并且生物活性陶瓷一般具有卓越的生物活性、生物可降解性、骨传导性和骨诱导性等生物学性能[3]。

生物惰性陶瓷包括氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷等，具有较高的机械强度和耐腐蚀性，作为身体植入物，可以提供结构支撑，并避免离子毒性等不良反应。生物活性陶瓷主要包括磷酸三钙、羟基磷灰石、生物活性玻璃及硫酸钙陶瓷等，此类陶瓷材料对人体无毒且无致癌作用，植入体内后可与宿主骨形成化学键合，促进骨再生，同时可降解并被人体组织吸收。其中，磷酸三钙又称磷酸钙，具有良好的生物相容性、骨诱导性及可降解性，主要形式为α-TCP和β-TCP。羟基磷灰石是人体骨组织中主要的无机成分，可以保证骨细胞在材料表面粘附、增殖和矿化过程，是骨组织工程中理想的生物陶瓷材料。生物活性玻璃的主要成分是氧化钙、二氧化硅、五氧化二磷及氧化钠，植入人体后，生物活性玻璃会在体液中降解以释放离子，从而生成类骨样的磷灰石层[2]。

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3D打印技术[3]

3D打印包含多种技术，如立体光固化、选择性激光熔化、熔融沉积成形、数字光处理和黏结剂喷射打印等，每种技术根据材料和应用有其特定的工作原理和特点。

3.1立体光固化

立体光固化技术早期只适用于光敏树脂材料，后来将陶瓷粉体混入光敏树脂形成陶瓷浆料，紫外光照射固化后，即可形成陶瓷生坯，再经脱脂、烧结，最终形成陶瓷制品[4]。该方法制造精度高、表面光滑，目前已应用于医疗、汽车、航空航天等领域。

立体光固化设备原理图

3.2选择性激光烧结

选择性激光烧结技术则通过激光逐层烧结粉末材料，适用于多种材料，包括金属、陶瓷、尼龙等。该技术以其能够处理复杂几何形状和多孔结构而著称。它能够精准控制材料的沉积过程，确保了较好的打印效果，同时保持了材料的固有强度[5]。与其他增材制造技术相比，选择性激光烧结技术无需支撑结构，可以有效地减少材料浪费。然而用于选择性激光烧结打印的材料与设备价格昂贵，且因打印粉末颗粒的熔融，其表面的打印质量可能不高，需要进行后处理。

选择性激光烧结原理图

3.3 数字光处理

数字光处理使用数字微镜晶片代替了立体光固化的激光器，即面光源代替点光源[6]。因为光源的不同，所以数字光处理相比立体光固化打印速度快。相对于其他3D打印技术来说，数字光处理依然有较高精度，常用于生物材料、牙科、珠宝制造。

数字光处理设备图

3.4 黏结剂喷射打印

该技术无高能激光源，通过喷头喷射黏结剂于粉末床形成几何形状。粉末类材料基本均可通过该技术打印，比如金属、陶瓷、黏土和沙等，近年来逐渐用于羟基磷灰石、磷酸三钙等生物陶瓷支架的制作。

黏结剂喷射打印设备原理图

3.5 熔融沉积成型

熔融沉积成型技术通过将加热熔融的热塑性材料逐层沉积来构建三维结构。该技术因其工艺简单、材料成本较低而广泛应用，适用于制造具有较大尺寸的支架结构，特别是那些对精度要求较低的部件。然而，熔融沉积成型的打印精度和表面光滑度相对较差，限制了其在高复杂度和微结构设计中的应用[5]。近年来发展出一些金属、陶瓷与聚合物的复合材料，但是成型精度低、表面质量差。

熔融沉积成型原理图

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生物陶瓷3D打印技术的应用

4.1 在齿科中的应用

3D打印技术适合制备牙冠等具有复杂曲面和镂空结构的物体，且成本不会随着零件复杂性的增加而增加[7]。以陶瓷牙贴片的制备为例，传统减材加工过程中，义齿薄边框和边缘容易断裂，后处理需在立体显微镜下进行，费时费力。相对于传统工艺，3D打印是数字化的，直接由数字模型驱动，再由3D打印机生产陶瓷牙贴片。该模式所需专业技能较少，简化了制备程序，缩短了产品开发周期。

4.2 在骨科中的应用

由于个体之间的骨骼存在差异性，标准化骨科植入物无法完全与患者贴合，易造成植入物功能受限、生物力学效果不佳、使用寿命偏短等问题。陶瓷3D打印技术可精确制造出具有特定形状、孔隙率及可控化学成分的陶瓷植入物，从而避免上述问题。

骨组织工程支架材料应具有良好的生物相容性和生物可降解性[8]。3D打印技术的出现，有效弥补了生物陶瓷骨支架传统制造方法的缺陷，一方面，能够精确地控制骨支架的微观结构、孔隙大小、孔隙分布以及整体形态，从而为各种类型的骨组织工程应用提供定制化解决方案；另一方面，通过3D打印，还可以在骨支架中定点整合生物活性因子或药物，使其释放位置和速度自由可控，进一步促进骨组织修复和功能恢复[3]。

4.3 在组织工程与再生医学中的应用

在组织工程与再生医学领域，对利用3D打印技术制作的陶瓷组织工程支架的需求逐渐提升。组织工程支架作为组织工程的关键要素之一，需要具有良好的生物相容性和一定机械强度，同时其内部结构会影响细胞活性和细胞增殖。2022年，Liu等[9]报道，以仿生分层复合陶瓷（β-TCP/CaSiO3）支架为结构，微米和（或）纳米HA为表层，制备具有仿生层次结构的支架，结果显示，HA表层加快了毛细血管形成、骨质增强及新骨基质形成，证实上述支架可作为骨再生的有效材料。

4.4 药物缓释载体

3D打印的生物陶瓷材料作为植入体内的药物缓释载体，通过控制表面微观结构和材料属性，使载体以不同程度的降解速度实现持续高效给药，而且改变了传统口服缓释片剂无法直接对病源给药的问题[10]。除此之外，3D打印的药物缓释载体在维持体内药物浓度平衡，避免全身用药导致的药物毒性起到关键作用。

结语

生物陶瓷3D打印技术是医学、工程技术和材料科学等多学科交叉融合的成果，已在牙科和骨科修复等医疗领域展现出创新性应用价值。3D打印技术在精确控制复杂微观多孔结构方面具有优势，可以促进细胞生长和组织再生，在个性化医疗发展中具有巨大潜力。然而，目前材料功能化设计、力学性能匹配、打印精度和稳定性等方面仍需进一步优化。作为一项具有开创性意义的技术，生物陶瓷3D打印技术在生物医学领域具有重要的应用价值。

参考文献

[1]Lu F,Wu R,Shen M,et al.Rational design ofbioceramic scaffolds with tuning pore geometryby stereolithography:Microstructure evaluationand mechanical

evolution[J].J EUR CeramSoc,2021,41(2):1672-1682.

[2]董向阳,沈震,岳智健等. 陶瓷3D打印在医疗领域的研究与应用进展[J].中国医学装备, 2023,20(03):186-191.

[3]王真,黄传真等.生物陶瓷3D打印技术研究进展与趋势[J].燕山大学学报,2024,48(03): 189-203.

[4]ORHAN A R.Ceramic 3D printing via dye-sensitizedphotopolymerization under green LED[J].3D Printing andAdditive Manufacturing,2023,10(2):310-317.

[5]黄智强.生物陶瓷内固定物光固化增材制造研究[D].杭州电子科技大学,2025.

[6]QUANH,ZHANGT,XU H,et al.Photo-curing 3D printingtechnique and its challenges [J].Bioactive Materials,2020,5(1):110-115.

[7]Chen Z, Li Z, Li J, et al.3D printing of ceramics:A review[J].J Eur Ceram Soc, 2019,39(4):661-687.

[8]张俊,李明利,汤彬彩等.生物陶瓷材料的3D打印技术现状[J].中国医疗器械杂志,2023, 47(06):651-658.

[9]Liu X,Miao Y,Liang H,et al.3D-printed bioactive ceramic scaffolds with biomimetic micro/nano-HAp surfaces mediated cell fate and promoted bone augmentation of the bone-implant interface in vivo[J].Bioact Mater,2022,12: 120-132.

[10]张晨,刘津瑞,梁虹.浅谈3D打印生物陶瓷材料的发展趋势[J].黑河学院学报,2020,11 (12):181-183.