醫(yī)療植入物的市場需求賦予陶瓷3D打印顛覆潛力

陶瓷材料在醫(yī)療領(lǐng)域的一個關(guān)鍵應(yīng)用是髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。陶瓷在髖關(guān)節(jié)成形術(shù)中的應(yīng)用始于幾十年前，在國內(nèi)包括上海材料所的張培志教授在陶瓷人工髖關(guān)節(jié)的研究方面有著多年的經(jīng)驗。如今，在全球范圍內(nèi)，髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的數(shù)量正在不斷上升。隨著人口的老齡化，數(shù)百人每天都要更換髖關(guān)節(jié)。今天，市場上使用的大多數(shù)髖關(guān)節(jié)植入物是由鈦和陶瓷制成的。

陶瓷由于其對人體內(nèi)的化學物質(zhì)的抵抗力而成為醫(yī)療應(yīng)用的首選材料。而且與金屬和聚乙烯相比，陶瓷材料已經(jīng)被證明具有極好的耐磨性。通常情況下，陶瓷部件可以保持20年以上良好的使用狀態(tài)，一些陶瓷部件的磨損率僅為每三百萬次循環(huán)0.032毫米。而陶瓷材料的生物相容性意味著它們在插入體內(nèi)時不會引發(fā)任何類型的化學反應(yīng)。這是由于該材料具有強大的化學鍵和高純度成分。

當然，并不是所有的陶瓷都是不可降解的。3D打印陶瓷植入物的應(yīng)用點并不局限在耐磨和耐化學方面，陶瓷植入物包括氮化硅、氧化鋁、羥基磷灰石等種類，其中羥基磷灰石等陶瓷材料具有良好的生物相容性，在植入到體內(nèi)之后將逐漸被人體降解吸收，生物工程和再生醫(yī)學領(lǐng)域的科學家們利用此類陶瓷材料的特點研發(fā)出用于修復(fù)骨骼缺損的陶瓷生物支架。

全球植入物市場的領(lǐng)先企業(yè)一直致力于實現(xiàn)產(chǎn)品差異化和保持價格差異，以吸引更多的消費者。全球植入物市場由Zimmer Biomet，Johnson＆Johnson，Depuy，Stryker和Smith＆Nephew領(lǐng)導。這些公司在全球市場占有很大的份額。

- Amedica 公司將氮化硅材料制造應(yīng)用于骨科植入物制造領(lǐng)域，Amedica 公司的氮化硅材料所具有的穩(wěn)定性、耐磨性、強度和斷裂韌度、抗菌性可以滿足植入物制造的要求。Amedica 使用的氮化硅植入物3D打印技術(shù)是自動注漿成型技術(shù)（robot depostion or robocasting ）。自動注漿成型技術(shù)是一種致密陶瓷材料和復(fù)合材料的制造技術(shù)，該技術(shù)通過CAD 設(shè)計得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖形，設(shè)備將按照CAD設(shè)計方案擠出一層陶瓷漿料，然后漿料擠出裝置向上精確的移動到設(shè)計方案確定的高度，并在第一層的基礎(chǔ)上擠出第二層漿料。通過陶瓷漿料的逐層擠出成型制備出復(fù)雜的陶瓷三維結(jié)構(gòu)。據(jù)3D科學谷了解，國內(nèi)的科研機構(gòu)也對自動注漿成型技術(shù)進行了探索和研究，例如清華大學材料系。

- 在促進骨骼再生方面，美國西北大學的材料科學家研發(fā)出一種適合3D打印的羥基磷灰石材料，該材料被加入了一定比例的乳酸-羥基乙酸，這讓3D打印的支架在無需添加生長因子的情況下也具有良好的骨骼再生促進能力。具體來說，美國西北大學開發(fā)出一種新的3D打印液體油墨材料，在室溫下通過該材料每小時可以3D打印出275立方厘米的骨骼修復(fù)支架。通過這種材料3D打印的骨骼修復(fù)支架表現(xiàn)出良好的韌性和吸附能力。與普通羥基磷灰石材料支架的不同之處，這種油墨打印的支架在受到擠壓時可以迅速恢復(fù)到原來的形狀。支架的孔隙率為50%，支持人體細胞生長和增殖。

- 通過3D打印個體化制備的植入物進行組織缺損的修復(fù)，可以大大提高外科手術(shù)的精確性與安全性。奧地利Lithoz公司制造的3D陶瓷打印設(shè)備可以打印出滿足這一醫(yī)療需求的骨骼植入體�；�于增材制造思想，Lithoz公司研發(fā)了獨特而優(yōu)秀的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)陶瓷的方法。LCM技術(shù)(基于光刻技術(shù)的陶瓷3D打印)， 使快速經(jīng)濟的生產(chǎn)高性能陶瓷功能件成為可能，材料性能不低于使用傳統(tǒng)模式大批量生產(chǎn)的部件。Lithoz的LCM技術(shù)3D陶瓷打印設(shè)備可以制備出多種孔尺度與復(fù)孔結(jié)構(gòu)的陶瓷制品，例如可以制備出作為骨骼植入體的生物陶瓷支架磷酸三鈣樣件，仍然具有很好的生物相容性，其各種性能上達到傳統(tǒng)工藝制造出的同樣部件。

此外，荷蘭Moergestel的Admatec也通過紫外激光固化光敏樹脂與陶瓷粉的混合物。

- 在商業(yè)轉(zhuǎn)化方面，歐洲的RESTORATION研究項目和他們的合作伙伴 JRI骨科（Orthopaedics）開發(fā)出了新的可吸收生物陶瓷材料，可用于三種不同的應(yīng)用：下頜骨、脊椎和膝蓋，這些產(chǎn)品可以應(yīng)用在局部的關(guān)節(jié)缺陷區(qū)域，并且通過微創(chuàng)手術(shù)減輕患者的痛苦。JRI骨科是一家英國整形外科植入物和外科手術(shù)儀器的制造商，基于項目的研究結(jié)果，JRI骨科會做進一步的研發(fā)，創(chuàng)造出一些自己的產(chǎn)品，比如可以用做骨填充的生物陶瓷，和3D打印用于治療骨骼軟骨缺損的插頭等。RESTORATION項目開發(fā)的生物陶瓷還用于錐體修復(fù)和頜面骨折修復(fù)方面。

- 在科研方面，多倫多大學的生物材料和生物醫(yī)學工程研究院的Bob Pilliar教授，不斷的在尋找更加天然的骨科材料，這些材料是面向下一代骨科置換手術(shù)的。為了取代人工膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，材料的組分必須是可生物降解的、持久的。Bob Pilliar教授最終發(fā)現(xiàn)聚磷酸鈣的秘訣，這是一種與人類骨中同一種礦物組成的粉末，Bob Pilliar教授由此被稱為加拿大生物陶瓷之父。

Bob Pilliar教授制造生物陶瓷植入物的系統(tǒng)利用紫外光將磷酸鈣粉末固化，Vlasea能夠制造非常精確的管和腔內(nèi)植入物。像一個蟻丘，微小的孔可以實現(xiàn)養(yǎng)分運輸?shù)膬?nèi)部網(wǎng)絡(luò)管道。一旦植入，人的自然骨細胞將擴散進來并逐漸形成自然骨骼結(jié)構(gòu)。并且還可以設(shè)計內(nèi)部排列毛孔的結(jié)構(gòu)，可以使種植體內(nèi)部的天然骨以不同的速度生長，同樣的設(shè)計原理還可以運用到燃料電池和牙科植入物的設(shè)計中。隨著時間的推移，3D打印的聚磷酸鈣被逐漸吸收在人體內(nèi)，病人自身的組織和細胞代替了植入物的位置，并且保留了人工植入物的形狀。研究人員的努力不局限于小塊的骨植入物，他們在嘗試打印更大的植入物，一旦成功了將為患者帶來極大的福音。

總之，無論是不降解的陶瓷材料還是可降解的陶瓷材料，它們都以各自的優(yōu)勢在植入物領(lǐng)域發(fā)揮越來越積極的作用。而無疑醫(yī)療植入物的市場需求將進一步推動陶瓷3D打印市場增長，在3D科學谷看來隨著陶瓷3D打印技術(shù)的提升，這一應(yīng)用或在植入物領(lǐng)域頗具顛覆潛力。

來源：3D科學谷延伸閱讀：
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