Lithoz 談 3D 打印陶瓷的開創(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令人興奮的增材制造領(lǐng)域提供了一些見解，具體內(nèi)容如下：

破解市場機會密碼

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。陶瓷材料屬于無機非金屬材料，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 打印陶瓷會落后呢？

事實上，滯后是錯誤的詞，或者至少是錯誤的時態(tài)，尤其是當(dāng) Lithoz 現(xiàn)在可以談?wù)摂?shù)百萬的數(shù)量時，一個客戶每年 3D 打印超過 200 萬個零件。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：“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)一個還是一千個都沒關(guān)系，首先是材料質(zhì)量不能妥協(xié)�！� Homa 還表示，對于功能性 3D 打印陶瓷，需要材料特性來匹配最終產(chǎn)品。

最常見的陶瓷材料多是氧化物，如氧化鋁、氧化鋯等，市場總量雖然不及金屬，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。 照片來自Lithoz。

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

陶瓷 3D 打印面臨著挑戰(zhàn)：陶瓷是一種難以加工的材料，幾乎沒有任何原始設(shè)備制造商自己這樣做。Homa強調(diào)說：“合同制造商做的是大多數(shù)工作是需要保證高性能，一旦零件有一個缺陷，它將是無用的。98% 的密度并不是質(zhì)量降低 2%，這意味著巨大的差異，強度可能降低 50%�！� 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充滿未來感的新領(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。用一種可以被重新吸收的材料代替金屬植入物，讓實際的骨骼重新生長，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。照片來自 Lithoz。

幸運的是，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 概述了一個場景，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)，因為沒有牙根可以安裝牙冠。Bomze 說，在這里，存在一個強有力的骨增量案例和一個巨大的市場機會，數(shù)以百萬計的外科手術(shù)正在發(fā)生。

那么 Lithoz 高級陶瓷材料如何在上述類似情況下發(fā)揮作用呢？Bomze 說，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，Lithoz 醫(yī)療解決方案總監(jiān)說：“我們期待在未來幾年看到更多關(guān)于長期結(jié)果的討論和報告。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。在聽取了客戶的意見后，Lithoz 開發(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的封閉表面的能力�！�

△使用HA480 3D 打印的顱骨植入物。 照片來自 Lithoz。

Bomze 說：“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)骨骼長入其中時，它會允許骨骼通過其毛孔生長。在愈合過程中，血管首先會長出痛點，細(xì)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�！�

△在HA480 中 3D 打印的顴骨種植體。 照片來自Lithoz。

3D 打印陶瓷的實際應(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。Bomze 詳細(xì)介紹了兩個具體示例，突出了醫(yī)用陶瓷的實用性和優(yōu)勢。其中一個示例是顱骨植入物，例如，它是在病人在切除腫瘤后所必需的補損替代物。植入物的制作重點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，就需要用到植入物來彌補這些人工造成的缺損。

Bomze 強調(diào)了 LithaBoneHA 480 的幾個優(yōu)點，包括壁厚大大增加：“它可以達(dá)到10-12 毫米，允許更堅固的材料和愈合過程中的穩(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)問題的另一個應(yīng)用。Bomze 解釋道：“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。這里的重點再次放在針對患者的設(shè)計和支架的開放式多孔網(wǎng)絡(luò)上。另一個重要的可能性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�！�

3D 打印陶瓷有著光明的未來，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。照片來自 Lithoz。