Lithoz 談 3D 打印陶瓷的開(kāi)創(chuàng)性醫(yī)療應(yīng)用

高性能 3D 打印陶瓷具有解鎖新型材料應(yīng)用的巨大潛力,，這是其他材料類別無(wú)法比擬的,。Johannes Homa 和 Daniel Bomze分別是光固化增材制造陶瓷廠商 Lithoz 公司的首席執(zhí)行官和醫(yī)療解決方案總監(jiān)，他們二人最近就這個(gè)令人興奮的增材制造領(lǐng)域提供了一些見(jiàn)解，具體內(nèi)容如下：

破解市場(chǎng)機(jī)會(huì)密碼

在 3D 打印中,，陶瓷經(jīng)常被忽視，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,，排在第三位，但隨著增材技術(shù)的不斷發(fā)展,， 3D 打印陶瓷有可能逐漸豐富起來(lái),。陶瓷材料屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，這一大類別主要包括水泥,、混凝土,、玻璃、磚和陶器,，其中僅水泥就是世界上使用量第二大的材料,。那么，為什么 3D 打印陶瓷會(huì)落后呢,？

事實(shí)上,，滯后是錯(cuò)誤的詞，或者至少是錯(cuò)誤的時(shí)態(tài),，尤其是當(dāng) Lithoz 現(xiàn)在可以談?wù)摂?shù)百萬(wàn)的數(shù)量時(shí),，一個(gè)客戶每年 3D 打印超過(guò) 200 萬(wàn)個(gè)零件。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(shuō)：“增材制造在陶瓷方面的應(yīng)用總是處于非常艱難的境地，但不管是生產(chǎn)一個(gè)還是一千個(gè)都沒(méi)關(guān)系,，首先是材料質(zhì)量不能妥協(xié),。” Homa 還表示,，對(duì)于功能性 3D 打印陶瓷，需要材料特性來(lái)匹配最終產(chǎn)品,。

最常見(jiàn)的陶瓷材料多是氧化物,，如氧化鋁、氧化鋯等,，市場(chǎng)總量雖然不及金屬,，但可以量化在數(shù)十億美元的范圍內(nèi)。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)。

△在HA480 中 3D 打印的顴骨種植體,。 照片來(lái)自Lithoz,。

在如何利用好3D打印陶瓷這個(gè)相對(duì)欠發(fā)達(dá)的市場(chǎng)機(jī)會(huì)方面,，Lithoz 首席執(zhí)行官Homa 認(rèn)為：“我們擁有最大的安裝基礎(chǔ)和最大的市場(chǎng)份額——我們擁有超過(guò) 50% 的市場(chǎng)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),。“Lithoz 正是通過(guò)這種方法發(fā)展壯大,，在全球擁有 140 多名員工,。他們將如何保持和擴(kuò)大這種領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)？

陶瓷 3D 打印面臨著挑戰(zhàn)：陶瓷是一種難以加工的材料,，幾乎沒(méi)有任何原始設(shè)備制造商自己這樣做,。Homa強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“合同制造商做的是大多數(shù)工作是需要保證高性能，一旦零件有一個(gè)缺陷,，它將是無(wú)用的,。98% 的密度并不是質(zhì)量降低 2%，這意味著巨大的差異,，強(qiáng)度可能降低 50%,。” 這種困難解釋了為什么要在材料研究和開(kāi)發(fā)上投入大量精力,。材料必須達(dá)到高最終密度才能提供功能性材料特性,。

△HA4803D 打印的頜骨植入物。 照片來(lái)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(gè)充滿未來(lái)感的新領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)界,，在各種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,，金屬是一種很好的導(dǎo)熱體，即使是洗個(gè)熱水澡也會(huì)很痛,；甚至暴露在陽(yáng)光下有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致灼傷,。如果給孩子做手術(shù)，隨著孩子的長(zhǎng)大,，必須更換金屬板,，導(dǎo)致手術(shù)創(chuàng)傷更大。用一種可以被重新吸收的材料代替金屬植入物，讓實(shí)際的骨骼重新生長(zhǎng),，這似乎是有利的,。

△3D 打印的頜骨植入物的內(nèi)部細(xì)節(jié)圖。照片來(lái)自 Lithoz,。

幸運(yùn)的是,，金屬板植入物相對(duì)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(jiàn)的創(chuàng)傷相比,。Bomze 概述了一個(gè)場(chǎng)景，其中一位牙科患者拔掉了一顆牙齒,，可能是由于腐爛,，并且該過(guò)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](méi)有牙根可以安裝牙冠。Bomze 說(shuō),，在這里,，存在一個(gè)強(qiáng)有力的骨增量案例和一個(gè)巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的外科手術(shù)正在發(fā)生,。

那么 Lithoz 高級(jí)陶瓷材料如何在上述類似情況下發(fā)揮作用呢,？Bomze 說(shuō)，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(shí)間的推移，植入的 3D 可打印材料或合成骨會(huì)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(lái)一直與醫(yī)生合作,，Lithoz 醫(yī)療解決方案總監(jiān)說(shuō)：“我們期待在未來(lái)幾年看到更多關(guān)于長(zhǎng)期結(jié)果的討論和報(bào)告,。公司有多種骨替代材料可供選擇。最新的是 Lithabone HA 480,。HA即羥基磷灰石,，外科醫(yī)生和從業(yè)者喜歡我們用于支架的 HA 400 材料，但也希望大大提高壁厚,、出色的生物相容性和高度的幾何形狀靈活性。在聽(tīng)取了客戶的意見(jiàn)后,，Lithoz 開(kāi)發(fā)了 Lithabone HA 480,，以擁有“更廣闊的應(yīng)用窗口。其中包括 3D 打印真正大的顱骨替代植入物和軟材料可以生長(zhǎng)的封閉表面的能力�,！�

△使用HA480 3D 打印的顱骨植入物,。 照片來(lái)自 Lithoz。

Bomze 說(shuō)：“從化學(xué)角度講,，HA與骨骼礦物質(zhì)成分中的物質(zhì)完全相同,。對(duì)于最終用戶而言，這意味著出色的生物相容性,，以及至關(guān)重要的骨傳導(dǎo)性“這意味著當(dāng)骨骼長(zhǎng)入其中時(shí),，它會(huì)允許骨骼通過(guò)其毛孔生長(zhǎng)。在愈合過(guò)程中,，血管首先會(huì)長(zhǎng)出痛點(diǎn),，細(xì)胞會(huì)從這些血管中遷移到實(shí)際的植入物上，植入物會(huì)逐漸溶解,，隨著新骨的沉積,，最終完全取代植入物�,！�

△在HA480 中 3D 打印的顴骨種植體,。 照片來(lái)自Lithoz。

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(kāi)了一個(gè)充滿可能性的世界,。Bomze 詳細(xì)介紹了兩個(gè)具體示例,，突出了醫(yī)用陶瓷的實(shí)用性和優(yōu)勢(shì)。其中一個(gè)示例是顱骨植入物,，例如,，它是在病人在切除腫瘤后所必需的補(bǔ)損替代物。植入物的制作重點(diǎn)是要使用一種顯示出良好骨傳導(dǎo)性能并且可以按照缺損形狀（特定于患者）成形并具有相互連接的孔隙網(wǎng)絡(luò)的材料,，以便血管可以在內(nèi)部發(fā)芽,，并且骨骼會(huì)長(zhǎng)入植入物中。此外,，嚴(yán)重的腦損傷會(huì)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(shí)打開(kāi)顱骨以釋放壓力,。之后,，就需要用到植入物來(lái)彌補(bǔ)這些人工造成的缺損。

Bomze 強(qiáng)調(diào)了 LithaBoneHA 480 的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn),，包括壁厚大大增加：“它可以達(dá)到10-12 毫米,，允許更堅(jiān)固的材料和愈合過(guò)程中的穩(wěn)定性。它還具有出色的生物相容性,，這是基本要求,，不能有毒或引起炎癥。最后，植入物的幾何形狀還需要具有高度的靈活性,，用戶不希望局限于一種適應(yīng)癥,。”

長(zhǎng)骨中關(guān)鍵尺寸缺陷的骨置換是 3D 打印解決反復(fù)出現(xiàn)問(wèn)題的另一個(gè)應(yīng)用,。Bomze 解釋道：“挑戰(zhàn)在于彌合長(zhǎng)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,。自行愈合的嚴(yán)重缺陷可能導(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(duì)患者的設(shè)計(jì)和支架的開(kāi)放式多孔網(wǎng)絡(luò)上,。另一個(gè)重要的可能性是定義兩個(gè)骨骼末端的角度，這對(duì)于重建和再次充分發(fā)揮作用至關(guān)重要,�,！�

3D 打印陶瓷有著光明的未來(lái)，還有更多令人興奮的應(yīng)用,。您可以在此處詳細(xì)了解Lithoz 如何在3D 打印陶瓷應(yīng)用方面走在世界前列：https://lithoz.com/en/,。

△使用LithaBone HA 480 的尺骨楔形植入物。照片來(lái)自 Lithoz,。