3D打印陶瓷的開創(chuàng)性醫(yī)療應(yīng)用

導(dǎo)讀：高性能3D打印陶瓷具有其他材料無法比擬的應(yīng)用潛力,。陶瓷增材制造面臨的挑戰(zhàn)有哪些？開創(chuàng)性醫(yī)療應(yīng)用有哪些,？


△在 HA480 中 3D 打印的顴骨種植體,。照片來自 Lithoz。

破解市場機(jī)會密碼
在 3D 打印中,，陶瓷成為僅次于金屬和聚合物的第三大材料選擇。就目前的使用量而言,，陶瓷材料的應(yīng)用范圍并沒有金屬那么廣,，但3D打印陶瓷的前景十分“光明”。陶瓷材料包括水泥,、混凝土,、玻璃、磚和陶器等,。水泥是世界上使用量第二大的材料,。那么，為什么 3D 打印陶瓷會落后呢,？從歷史上看,，破解增材制造陶瓷的'密碼'一直具有挑戰(zhàn)性。Lithoz 首席執(zhí)行官 Johannes Homa 解釋說：“陶瓷在生產(chǎn)過程中需要面臨很多的挑戰(zhàn),，首先就是材料的質(zhì)量,，材料質(zhì)量不能有任何的妥協(xié)。對于功能性3D 打印陶瓷更是如此,，用戶需要材料特性來匹配最終產(chǎn)品,。”最常見的陶瓷是氧化物材料,，市場總量雖然不及金屬，但總量也高達(dá)在數(shù)十億美元左右,。高性能3D打印陶瓷的應(yīng)用包括機(jī)械,、電子、空間和醫(yī)學(xué),。

陶瓷增材制造是一個相對欠發(fā)達(dá)的市場機(jī)會,，但Homa卻選擇了這個賽道，他表示：“Lithoz擁有安裝設(shè)施和超過 50% 的市場份額,。我們是技術(shù)和創(chuàng)新的領(lǐng)導(dǎo)者,，陶瓷行業(yè)唯一可行的策略是以質(zhì)量和創(chuàng)新為主導(dǎo)�,！盠ithoz正是通過這種方法發(fā)展壯大,，在全球擁有 140 多名員工。

陶瓷3D打印面臨著巨大的挑戰(zhàn),，因?yàn)樘沾杀旧硎且环N難以加工的材料,，市場上幾乎沒有原始設(shè)備制造商直接加工陶瓷材料，許多制造商做的是大多數(shù)高性能工作,，陶瓷零件只要有一個缺陷,，那它是無用的。 這種困難解釋了為什么要在材料研究和開發(fā)上投入大量精力,。材料必須達(dá)到高密度才能提供功能性材料特性,。98% 的密度并不意味著質(zhì)量降低 2%，強(qiáng)度可能降低 50%,。


△HA480 3D 打印的頜骨植入物,。照片來自 Lithoz。

陶瓷骨替代材料
談到 Lithoz 生產(chǎn)的材料,，醫(yī)療解決方案總監(jiān) Daniel Bomze介紹了骨替代材料這個聽起來充滿未來感的世界,。在醫(yī)學(xué)界，許多情況下都可能需要更換骨骼,，例如,，頭部外傷伴有腦出血，需要將骨骼切掉,。在這種情況下,，標(biāo)準(zhǔn)程序是在患者頭部使用金屬板植入物。然而,，金屬是一種導(dǎo)熱體,，即使是洗個熱水澡也會很痛；甚至暴露在陽光下有時也會導(dǎo)致灼傷,。如果給孩子做手術(shù),，隨著孩子的長大,，必須更換金屬板，導(dǎo)致手術(shù)創(chuàng)傷更大,。所以,，急需開發(fā)出一種新材料代替金屬植入物，讓實(shí)際的骨骼重新生長,。


△3D 打印的頜骨植入物的內(nèi)部體積,。照片來自 Lithoz。

金屬板植入物相對較少,，特別是與需要醫(yī)療干預(yù),、牙齒脫落和牙齒修復(fù)的更常見的創(chuàng)傷相比。Bomze 描述了一個場景,，一位牙科患者拔掉了一顆牙齒,，并且該過程需要連同牙齒一起去除牙根。在這種情況下,，不可能用牙冠進(jìn)行進(jìn)一步修復(fù),，因?yàn)闆]有牙根可以安裝牙冠。那該怎么辦呢,？Bomze 說,，在這種情況下，存在一個強(qiáng)有力的骨增量案例和一個巨大的市場機(jī)會,。

從本質(zhì)上講,，Lithoz 提供了一種與患者骨骼“化學(xué)性質(zhì)相同的合成材料”。隨著時間的推移,，植入的 3D 可打印材料或合成骨會溶解并被患者的天然骨材料取代,。至關(guān)重要的是，Lithoz 可以處理臨界尺寸的骨缺損,。 Lithoz 自 2017 年以來一直與醫(yī)生合作，公司有多種骨替代材料可供選擇,，最新的是 Lithabone HA 480,。

Bomze 解釋說，用于支架的 HA 400 材料受到了醫(yī)護(hù)人員和患者的一致好評,，但他們也建議能夠提高壁厚,、出色的生物相容性和高度的幾何形狀靈活性。在聽取了客戶的意見后,，Lithoz 開發(fā)了 Lithabone HA 480,，這種材料具有可以生長封閉表面的能力。


△使用 HA480 3D 打印的顱骨植入物,。照片來自 Lithoz,。

HA 代表羥基磷灰石,，從化學(xué)角度講，它與骨骼礦物質(zhì)成分中的物質(zhì)完全相同,，具有出色的生物相容性,，以及至關(guān)重要的骨傳導(dǎo)性。當(dāng)骨骼長入其中時,，它會允許骨骼通過其毛孔生長,。在愈合過程中，首先,，血管會長出痛點(diǎn),，細(xì)胞會從這些血管中遷移到實(shí)際的植入物上，植入物會逐漸溶解,，隨著新骨的沉積,，最終完全取代植入物。

3D 打印陶瓷的實(shí)際應(yīng)用
使用可 3D 打印的可吸收骨替代材料打開了一個充滿可能性的世界,。顱骨植入物是在切除腫瘤后所必需的,，制作它的材料需要使用一種具有良好骨傳導(dǎo)性能并且可以按照缺損形狀（特定于患者）成形，同時具有相互連接的孔隙網(wǎng)絡(luò)的材料是必要的,，以便血管可以在內(nèi)部生長,，并且骨骼會長入植入物中。 此外,，嚴(yán)重的腦損傷會因出血,、腫瘤或引流受阻而導(dǎo)致腦腫脹。緩解腫脹需要“暫時打開顱骨以釋放壓力,。之后,，需要用植入物治療人工缺陷。

Bomze 強(qiáng)調(diào)了 LithaBone HA 480 的幾個優(yōu)點(diǎn)：
●壁厚大大增加,，它可以達(dá)到 10-12 mm
●能夠提高愈合過程中的穩(wěn)定性
●具有出色的生物相容性
●幾何形狀的高度靈活性


△使用 LithaBone HA 480 的尺骨楔形植入物,。照片來自 Lithoz。

長骨中關(guān)鍵尺寸缺陷的骨置換是3D打印能夠解決的另一個問題,。這個挑戰(zhàn)在于彌合長骨中的臨界尺寸缺陷,，例如腿部或手臂，這通常是由外傷引起的,，自行愈合會傳聲嚴(yán)重的缺陷,，導(dǎo)致假關(guān)節(jié)形成。因此,，需要骨置換植入物,。這里的重點(diǎn)再次放在針對患者的設(shè)計(jì)和支架的開放式多孔網(wǎng)絡(luò)上。另一個挑戰(zhàn)是定義兩個骨骼末端的角度,，這對于重建和再次充分發(fā)揮作用至關(guān)重要,。

可以說,，3D打印陶瓷有著光明的未來，市場上還有廣闊的空間可以探索,，期待3D打印陶瓷更多的應(yīng)用場景,！