3D打印陶瓷的开创性医疗应用

导读：高性能3D打印陶瓷具有其他材料无法比拟的应用潜力。陶瓷增材制造面临的挑战有哪些？开创性医疗应用有哪些？


△在 HA480 中 3D 打印的颧骨种植体。照片来自 Lithoz。

破解市场机会密码
在 3D 打印中，陶瓷成为仅次于金属和聚合物的第三大材料选择。就目前的使用量而言，陶瓷材料的应用范围并没有金属那么广，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、砖和陶器等。水泥是世界上使用量第二大的材料。那么，为什么 3D 打印陶瓷会落后呢？从历史上看，破解增材制造陶瓷的'密码'一直具有挑战性。Lithoz 首席执行官 Johannes Homa 解释说：“陶瓷在生产过程中需要面临很多的挑战，首先就是材料的质量，材料质量不能有任何的妥协。对于功能性3D 打印陶瓷更是如此，用户需要材料特性来匹配最终产品。”最常见的陶瓷是氧化物材料，市场总量虽然不及金属，但总量也高达在数十亿美元左右。高性能3D打印陶瓷的应用包括机械、电子、空间和医学。

陶瓷增材制造是一个相对欠发达的市场机会，但Homa却选择了这个赛道，他表示：“Lithoz拥有安装设施和超过 50% 的市场份额。我们是技术和创新的领导者，陶瓷行业唯一可行的策略是以质量和创新为主导。”Lithoz正是通过这种方法发展壮大，在全球拥有 140 多名员工。

陶瓷3D打印面临着巨大的挑战，因为陶瓷本身是一种难以加工的材料，市场上几乎没有原始设备制造商直接加工陶瓷材料，许多制造商做的是大多数高性能工作，陶瓷零件只要有一个缺陷，那它是无用的。 这种困难解释了为什么要在材料研究和开发上投入大量精力。材料必须达到高密度才能提供功能性材料特性。98% 的密度并不意味着质量降低 2%，强度可能降低 50%。


△HA480 3D 打印的颌骨植入物。照片来自 Lithoz。

陶瓷骨替代材料
谈到 Lithoz 生产的材料，医疗解决方案总监 Daniel Bomze介绍了骨替代材料这个听起来充满未来感的世界。在医学界，许多情况下都可能需要更换骨骼，例如，头部外伤伴有脑出血，需要将骨骼切掉。在这种情况下，标准程序是在患者头部使用金属板植入物。然而，金属是一种导热体，即使是洗个热水澡也会很痛；甚至暴露在阳光下有时也会导致灼伤。如果给孩子做手术，随着孩子的长大，必须更换金属板，导致手术创伤更大。所以，急需开发出一种新材料代替金属植入物，让实际的骨骼重新生长。


△3D 打印的颌骨植入物的内部体积。照片来自 Lithoz。

金属板植入物相对较少，特别是与需要医疗干预、牙齿脱落和牙齿修复的更常见的创伤相比。Bomze 描述了一个场景，一位牙科患者拔掉了一颗牙齿，并且该过程需要连同牙齿一起去除牙根。在这种情况下，不可能用牙冠进行进一步修复，因为没有牙根可以安装牙冠。那该怎么办呢？Bomze 说，在这种情况下，存在一个强有力的骨增量案例和一个巨大的市场机会。

从本质上讲，Lithoz 提供了一种与患者骨骼“化学性质相同的合成材料”。随着时间的推移，植入的 3D 可打印材料或合成骨会溶解并被患者的天然骨材料取代。至关重要的是，Lithoz 可以处理临界尺寸的骨缺损。 Lithoz 自 2017 年以来一直与医生合作，公司有多种骨替代材料可供选择，最新的是 Lithabone HA 480。

Bomze 解释说，用于支架的 HA 400 材料受到了医护人员和患者的一致好评，但他们也建议能够提高壁厚、出色的生物相容性和高度的几何形状灵活性。在听取了客户的意见后，Lithoz 开发了 Lithabone HA 480，这种材料具有可以生长封闭表面的能力。


△使用 HA480 3D 打印的颅骨植入物。照片来自 Lithoz。

HA 代表羟基磷灰石，从化学角度讲，它与骨骼矿物质成分中的物质完全相同，具有出色的生物相容性，以及至关重要的骨传导性。当骨骼长入其中时，它会允许骨骼通过其毛孔生长。在愈合过程中，首先，血管会长出痛点，细胞会从这些血管中迁移到实际的植入物上，植入物会逐渐溶解，随着新骨的沉积，最终完全取代植入物。

3D 打印陶瓷的实际应用
使用可 3D 打印的可吸收骨替代材料打开了一个充满可能性的世界。颅骨植入物是在切除肿瘤后所必需的，制作它的材料需要使用一种具有良好骨传导性能并且可以按照缺损形状（特定于患者）成形，同时具有相互连接的孔隙网络的材料是必要的，以便血管可以在内部生长，并且骨骼会长入植入物中。 此外，严重的脑损伤会因出血、肿瘤或引流受阻而导致脑肿胀。缓解肿胀需要“暂时打开颅骨以释放压力。之后，需要用植入物治疗人工缺陷。

Bomze 强调了 LithaBone HA 480 的几个优点：
●壁厚大大增加，它可以达到 10-12 mm
●能够提高愈合过程中的稳定性
●具有出色的生物相容性
●几何形状的高度灵活性


△使用 LithaBone HA 480 的尺骨楔形植入物。照片来自 Lithoz。

长骨中关键尺寸缺陷的骨置换是3D打印能够解决的另一个问题。这个挑战在于弥合长骨中的临界尺寸缺陷，例如腿部或手臂，这通常是由外伤引起的，自行愈合会传声严重的缺陷，导致假关节形成。因此，需要骨置换植入物。这里的重点再次放在针对患者的设计和支架的开放式多孔网络上。另一个挑战是定义两个骨骼末端的角度，这对于重建和再次充分发挥作用至关重要。

可以说，3D打印陶瓷有着光明的未来，市场上还有广阔的空间可以探索，期待3D打印陶瓷更多的应用场景！