案例 l 高精度陶瓷3D打印在醫(yī)療行業(yè)的多種應(yīng)用

3D打印技術(shù)生產(chǎn)的陶瓷產(chǎn)品在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域中具有巨大潛力，這在許多應(yīng)用中表現(xiàn)的尤為明顯，本文重點(diǎn)介紹奧地利Lithoz高精度陶瓷3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用。

多年來(lái)，具有生物相容性和生物可降解性的陶瓷已廣泛應(yīng)用在創(chuàng)傷治療和整形外科等醫(yī)療領(lǐng)域。氧化鋯、氧化鋁和氮化硅作為高性能陶瓷材料的代表，由于其出色的機(jī)械性能，耐磨性，低導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性以及優(yōu)良的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于生產(chǎn)永久性植入物及其它醫(yī)療器械。醫(yī)療部門(mén)不僅需要機(jī)械性能特別高的高性能陶瓷，同時(shí)也需要具有其他特性的生物可降解陶瓷。

磷酸三鈣和羥基磷灰石屬于生物可降解性的陶瓷類(lèi)，由于它們與骨骼的無(wú)機(jī)成分相似而被于生物可降解的植入物的生產(chǎn)。通過(guò)在愈合過(guò)程中材料的降解，可以向細(xì)胞提供必要的離子；同時(shí)，為細(xì)胞向內(nèi)生長(zhǎng)創(chuàng)造了空間。理想狀態(tài)下，人造骨骼的降解速度與再生組織的生長(zhǎng)一樣快，從而保證在整個(gè)愈合過(guò)程中保持一定的機(jī)械穩(wěn)定性。

奧地利Lithoz公司的基于光固化方法的制造工藝（3D打�。┦巧�產(chǎn)高度復(fù)雜的部件的非常有效的方法。目前，尤其在醫(yī)療器械制造領(lǐng)域中受到越來(lái)越多的關(guān)注。通過(guò)“基于光固化高精度陶瓷3D打�。↙CM）”工藝，可以將各種陶瓷（例如氧化鋯或羥基磷灰石（HA））制成幾乎任何形狀，實(shí)現(xiàn)外部（結(jié)構(gòu)形式）和內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)（孔設(shè)計(jì)）。

LCM工藝通過(guò)光敏陶瓷漿料的選擇性固化，實(shí)現(xiàn)了生坯高的固含量（陶瓷顆粒的高填充密度），這是獲得致密且無(wú)缺陷的陶瓷零部件的先決條件。打印過(guò)程遵循逐層打印原則。要打印的產(chǎn)品的3D模型在lihtoz軟件中自動(dòng)被切成25μm厚的層，通過(guò)選擇性曝光，有機(jī)基質(zhì)被交聯(lián)以形成聚合物和陶瓷顆粒的復(fù)合物。聚合物作為陶瓷顆粒之間的粘合劑，從而使其成形。在熱后處理中，首先在高溫下無(wú)殘留地去除有機(jī)基質(zhì)，并且通過(guò)在超過(guò)1000℃的溫度下燒結(jié)來(lái)生產(chǎn)最終的陶瓷組分。

圖1：Lithoz的LCM工藝的示意圖。通過(guò)打印工藝將漿料加工成植入體（陶瓷-聚合物復(fù)合材料），將其清潔，脫脂和燒結(jié)，獲得最終產(chǎn)品。

LCM工藝用于制造醫(yī)療器械，可以根據(jù)個(gè)體患者的生理結(jié)構(gòu)，相對(duì)簡(jiǎn)單、便捷的生產(chǎn)個(gè)性化植入物，這些植入物完美匹配局部結(jié)構(gòu)，植入定位更加精確。配合成像技術(shù)（如CT，MRI等），可以快速制造高度匹配患者需求的個(gè)性化植入物。與注塑成型截然不同，該技術(shù)不需要任何模具，可經(jīng)濟(jì)便捷地實(shí)現(xiàn)一個(gè)部件的定制、或者批量生產(chǎn)。

除了能夠制造個(gè)性化的植入物之外，還可以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以促進(jìn)甚至激活細(xì)胞向內(nèi)生長(zhǎng)。為此需要具有確定的幾何形狀和孔徑的互連系統(tǒng)，以適合于相應(yīng)的細(xì)胞。LCM工藝可以實(shí)現(xiàn)最小120μm的薄壁結(jié)構(gòu)、160μm的孔道結(jié)構(gòu)，打印工藝具有高精度和可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)。

圖2：LCM打印工藝示意圖：CAD模型（左）-切片-選擇性曝光逐層固化

應(yīng)用案例：
1、心臟起搏器泵
由于Lithoz的LCM工藝生產(chǎn)的陶瓷零部件具有高精度、高的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，因此維也納科技大學(xué)和維也納醫(yī)科大學(xué)的研究人員選擇LCM工藝作為心臟起搏器泵的制造方法。該項(xiàng)目致力于制造使用氦氣動(dòng)力裝置的機(jī)械心臟泵的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)。該心臟泵旨在病人心臟手術(shù)后的臨時(shí)心臟輔助泵，其與主動(dòng)脈內(nèi)氣囊泵結(jié)合，可為冠狀動(dòng)脈血管優(yōu)化供血，以在關(guān)鍵的愈合階段緩解心臟壓力。由于氧化鋁材料具有優(yōu)良的生物相容性、生物惰性和較高的表面光潔度，該項(xiàng)目選擇其作為心臟起搏器泵的制造材料。通過(guò)lithoz的LCM打印工藝，可以在短時(shí)間內(nèi)非常便捷的生產(chǎn)、測(cè)試、優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。

圖3：由高純度氧化鋁制成的心臟起搏器泵的部件（為了更好的可視化，這些部件放大了10倍以上）

2、患者個(gè)性化骨修復(fù)
林茨開(kāi)普勒大學(xué)醫(yī)院的項(xiàng)目是使用lithoz的LCM工藝生產(chǎn)患者個(gè)性化骨缺損修復(fù)件。骨缺損修復(fù)件是用于手術(shù)修復(fù)骨折部位，以便將骨折端固定在一起，同時(shí)固定骨折部位。傳統(tǒng)產(chǎn)品由金屬材料制成，并且必須由外科醫(yī)生在手術(shù)室中適當(dāng)彎曲調(diào)整。但是結(jié)合CT等手段，得到完全符合骨修復(fù)部件的尺寸，通過(guò)lithoz的LCM技術(shù)，可以快速、高精度、高質(zhì)量的生產(chǎn)非常符合患者骨修復(fù)部位的個(gè)性化骨修復(fù)件。同時(shí)，與常規(guī)使用的材料（如鈦合金）相比，使用具有高耐磨性和最高彈性的氧化鋯不會(huì)出現(xiàn)在使用過(guò)程中金屬修復(fù)件磨損產(chǎn)生顆粒的問(wèn)題。

圖4：由不同陶瓷材料制成的醫(yī)療器械

3、骨替換的可降解植入物
嚴(yán)重創(chuàng)傷或腫瘤切除后的骨替換仍然是目前醫(yī)學(xué)的主要挑戰(zhàn)。一方面，需要盡快恢復(fù)骨骼的穩(wěn)定性及其保護(hù)功能，另一方面應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)身體自身骨細(xì)胞的良好愈合。為此目的，使用可生物可降解的陶瓷（如磷酸三鈣），為患者生產(chǎn)個(gè)性化植入物，例如用于嚴(yán)重顱腦損傷后的顱骨植入物、用于骨結(jié)構(gòu)支架等。這是由奧地利組織再生機(jī)構(gòu)、路德維希玻爾茲曼實(shí)驗(yàn)研究所、臨床創(chuàng)傷學(xué)/ AUVA聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目。

圖5：由磷酸三鈣制成的植入物，用于植入入牙科植入物之前進(jìn)行頜骨增強(qiáng)

圖6：用于治療骨缺損的磷酸三鈣顱骨植入物

作者：Dr. Daniel Bomze-奧地利Lithoz公司
Prof. DI Dr. Heinz Redl-維也納路德維希•玻爾茲曼實(shí)驗(yàn)和臨床創(chuàng)傷研究所

來(lái)源：Lithoz