3D打印陶瓷的開創(chuàng)性醫(yī)療應用

導讀：高性能3D打印陶瓷具有其他材料無法比擬的應用潛力。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：“陶瓷在生產過程中需要面臨很多的挑戰(zhàn)，首先就是材料的質量，材料質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，但總量也高達在數(shù)十億美元左右。高性能3D打印陶瓷的應用包括機械、電子、空間和醫(yī)學。

陶瓷增材制造是一個相對欠發(fā)達的市場機會，但Homa卻選擇了這個賽道，他表示：“Lithoz擁有安裝設施和超過 50% 的市場份額。我們是技術和創(chuàng)新的領導者，陶瓷行業(yè)唯一可行的策略是以質量和創(chuàng)新為主導�！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)，因為陶瓷本身是一種難以加工的材料，市場上幾乎沒有原始設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量降低 2%，強度可能降低 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，標準程序是在患者頭部使用金屬板植入物。然而，金屬是一種導熱體，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致灼傷。如果給孩子做手術，隨著孩子的長大，必須更換金屬板，導致手術創(chuàng)傷更大。所以，急需開發(fā)出一種新材料代替金屬植入物，讓實際的骨骼重新生長。


△3D 打印的頜骨植入物的內部體積。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、牙齒脫落和牙齒修復的更常見的創(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，不可能用牙冠進行進一步修復，因為沒有牙根可以安裝牙冠。那該怎么辦呢？Bomze 說，在這種情況下，存在一個強有力的骨增量案例和一個巨大的市場機會。

從本質上講，Lithoz 提供了一種與患者骨骼“化學性質相同的合成材料”。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，從化學角度講，它與骨骼礦物質成分中的物質完全相同，具有出色的生物相容性，以及至關重要的骨傳導性。當骨骼長入其中時，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，細胞會從這些血管中遷移到實際的植入物上，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 打印陶瓷的實際應用
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)絡的材料是必要的，以便血管可以在內部生長，并且骨骼會長入植入物中。 此外，嚴重的腦損傷會因出血、腫瘤或引流受阻而導致腦腫脹。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 強調了 LithaBone HA 480 的幾個優(yōu)點：
●壁厚大大增加，它可以達到 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，自行愈合會傳聲嚴重的缺陷，導致假關節(jié)形成。因此，需要骨置換植入物。這里的重點再次放在針對患者的設計和支架的開放式多孔網(wǎng)絡上。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打印陶瓷更多的應用場景！