3D打印生物陶瓷材料，未來(lái)可期

來(lái)源：中國(guó)粉體網(wǎng)

導(dǎo)讀：生物陶瓷材料主要是指基于特定生物或者生理功能，可以直接用于人體或者與人體直接相關(guān)的生物、醫(yī)用以及生物化學(xué)的陶瓷材料。生物陶瓷材料具有穩(wěn)定的理化性質(zhì)、良好的生物相容性、以及多種理化和生化功能，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、硬組織修復(fù)和骨組織工程支架材料等領(lǐng)域。

△生物陶瓷應(yīng)用

生物陶瓷發(fā)展歷程

陶瓷作為生物醫(yī)學(xué)材料始于18世紀(jì)初。1808年初成功制成了用于鑲牙的陶齒；1871年，人們首次合成出羥基磷灰石 ,但是由于技術(shù)的限制，直至一個(gè)世紀(jì)以后才有羥基磷灰石生物陶瓷的成功應(yīng)用報(bào)道；1894年，H.Dreeman報(bào)道使用熟石膏作為骨替換材料；1926年Bassett用X-射線衍射分析發(fā)現(xiàn)骨和牙的礦物質(zhì)與羥基磷灰石的X射線譜相似；1928年，Leriche和Policard開(kāi)始研究和應(yīng)用磷酸鈣作為骨替換材料；1930年，Naray-Szabo和Mehmel獨(dú)立地應(yīng)用X-ray衍射分析確定了氟磷灰石的結(jié)構(gòu)；1963年在生物陶瓷發(fā)展史上也是重要的一年，該年Smith報(bào)告發(fā)展了一種陶瓷骨替代材料；1969年美國(guó)Florida大學(xué)的Hench教授發(fā)明了生物玻璃，當(dāng)把這種玻璃材料植入生物體內(nèi)作為骨骼和牙齒的替代物時(shí)，發(fā)現(xiàn)有些材料中的組織可以和生物體內(nèi)的組分互相交換或者反應(yīng)，最終形成與生物體本身相容的性質(zhì)，構(gòu)成新生骨骼和牙齒的一部分，這種將無(wú)機(jī)材料與生物醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的開(kāi)創(chuàng)性研究成果，很快得到了各國(guó)學(xué)者的高度重視；1970年法國(guó)的Boutin用單一氧化鋁陶瓷澆制成人工股關(guān)節(jié)，開(kāi)創(chuàng)了陶瓷用作人工骨、人工關(guān)節(jié)的先例；1971年西德人開(kāi)發(fā)了與骨、牙的無(wú)機(jī)組成相近的磷酸三鈣，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)磷酸三鈣多孔體是優(yōu)良的骨置換材料；1974年前后，日本的青木秀希和美國(guó)的Jarcho相繼發(fā)明了與人體骨、牙的無(wú)機(jī)組成極為相似的羥基磷灰石材料，這種材料具有與自體骨相仿的生物生容性和骨結(jié)合性，是當(dāng)前世界公認(rèn)的、理想的人工骨材料，己在臨床很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

△生物陶瓷材料發(fā)展圖

生物陶瓷種類

根據(jù)在生物體內(nèi)的活性，可將生物陶瓷材料分為３種：生物吸收性陶瓷、生物活性陶瓷和生物惰性陶瓷。

• 生物吸收性陶瓷
  

生物吸收性陶瓷材料又稱生物可降解性陶瓷材料，最早是由Driskell等人于1973年報(bào)道并提出的，此報(bào)道指出β-Ca3（PO4）2多孔陶瓷材料植入生物體后，可以被快速吸收，并發(fā)生骨置換�？晌�收生物陶瓷材料在生物體內(nèi)的作用是使缺損部位被新生的骨組織取代，而自身則被體液溶解吸收或被代謝系統(tǒng)排出體外，但其降解速度快，不利于誘導(dǎo)成骨。最常用的可吸收生物陶瓷材料主要有β-磷酸三鈣及硫酸鈣。

• 生物活性陶瓷
  

生物活性陶瓷材料是一類能對(duì)機(jī)體組織進(jìn)行修復(fù)、替代與再生，具有能使組織和材料之間形成鍵合作用的材料�！吧�物活性”概念最早是由美國(guó)的Hench教授提出的，它改變了人們傳統(tǒng)所認(rèn)為的“任何人造植入體在人體內(nèi)都將引發(fā)異體反應(yīng)并在界面形成非粘附性疤痕組織”的觀點(diǎn)，從而開(kāi)創(chuàng)了生物活性材料的研究新領(lǐng)域。在生物活性陶瓷材料中一般含有羥基，可以將其做成多孔性，誘發(fā)新生骨的生長(zhǎng)，并與生物組織表面發(fā)生牢固鍵合，且能被生物組織長(zhǎng)入。最具代表性的生物活性陶瓷材料包括生物活性玻璃、羥基磷灰石陶瓷。

• 生物惰性陶瓷
  

生物惰性陶瓷材料是指在生物體內(nèi)幾乎不發(fā)生變化的陶瓷材料。它們一般生物相容性好，具有穩(wěn)定的化學(xué)性能。生物惰性陶瓷材料具有不降解、耐腐蝕、耐磨損的優(yōu)點(diǎn)，且有較高硬度和抗彎強(qiáng)度。目前作為醫(yī)用陶瓷材料，主要用于人體骨骼、關(guān)節(jié)的修復(fù)與替換、人造牙根、中耳小骨和心臟瓣膜等。目前最常用的生物惰性陶瓷材料是氧化鋁陶瓷和氧化鋯陶瓷。近些年來(lái)，氮化硅陶瓷材料也因其優(yōu)異的生物相容性和力學(xué)性能引起了廣泛關(guān)注。

△氮化硅生物陶瓷材料（圖源：SINTX）

3D打印生物陶瓷

傳統(tǒng)的陶瓷加工時(shí)間長(zhǎng)、成本高，而對(duì)于復(fù)雜的陶瓷，尤其是用于人體硬組織修復(fù)的生物陶瓷，如修復(fù)的牙齒、骨等，其幾何形狀復(fù)雜和內(nèi)部孔徑之間的相互貫通等，導(dǎo)致其加工難度較大，這就為材料的加工提出了巨大的挑戰(zhàn)。

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，為生物醫(yī)用陶瓷材料的精加工提供了較好的技術(shù)手段。最早的陶瓷3D打印技術(shù)于20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，它設(shè)計(jì)靈活，可打印結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜、精密的零部件，且可以同時(shí)一次性構(gòu)建多個(gè)打印對(duì)象，顯著的提高了生產(chǎn)效率。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和生物醫(yī)用陶瓷的需求量增大，個(gè)性化的設(shè)計(jì)和加工也通過(guò)3D打印技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。利用醫(yī)學(xué)的CT影像成形技術(shù)，通過(guò)反向3D建模，可實(shí)現(xiàn)患者的個(gè)性化需求，且因形態(tài)擬合程度高，可減少手術(shù)創(chuàng)傷。

3D打印生物陶瓷應(yīng)用

• 口腔醫(yī)學(xué)
  

主要應(yīng)用于口腔內(nèi)牙齒或牙冠修復(fù)體、口腔內(nèi)種植體及口腔內(nèi)矯正體。運(yùn)用3D打印生物陶瓷材料原位打印的口腔內(nèi)模型，能夠避免細(xì)菌感染，解決無(wú)法完全填充缺損區(qū)的問(wèn)題，而且應(yīng)用于齒類的支架，精度可以達(dá)到微米級(jí)。

△3D打印ZrO2陶瓷牙（圖源：龔家寶等，《3D打印技術(shù)在生物醫(yī)用陶瓷硬組織領(lǐng)域的研究進(jìn)展》）

• 組織再生
  

3D打印生物陶瓷技術(shù)促進(jìn)組織再生，途徑分為兩種：一是利用3D打印生物陶瓷支架收集宿主干細(xì)胞，在植入人體后，宿主干細(xì)胞分化變?yōu)槌墒旒?xì)胞，重新填充可降解支架，最終通過(guò)沉積形式產(chǎn)生新的細(xì)胞外基質(zhì)；二是生物陶瓷支架上負(fù)載各種細(xì)胞因子和化學(xué)物質(zhì)，通過(guò)釋放來(lái)促進(jìn)宿主細(xì)胞的增殖分化。目前，應(yīng)用最廣泛的組織再生工程包括：組織氣管再生、神經(jīng)組織修復(fù)、皮膚表皮組織修復(fù)、各器官組織修復(fù)等，展現(xiàn)出良好的臨床表現(xiàn)。

• 骨修復(fù)
  

3D打印生物陶瓷在骨骼修復(fù)方面的研究最為深入，取得的成果也最為顯著。首先，3D打印的生物陶瓷具有良好的生物力學(xué)性能和生物相容性的優(yōu)勢(shì)，在骨修復(fù)、骨骼生長(zhǎng)等多方面發(fā)揮巨大作用；其次，為骨科手術(shù)輔助材料進(jìn)行3D打印，有利于通過(guò)打印模型觀察骨骼形態(tài)結(jié)構(gòu)及異常生長(zhǎng)狀況，為制定手術(shù)方案提供參考。

△骨科生物陶瓷材料（圖源：Ceramtec）

• 藥物緩釋載體
  

3D打印的生物陶瓷材料作為植入體內(nèi)的藥物緩釋載體，通過(guò)控制表面微觀結(jié)構(gòu)和材料屬性，使載體以不同程度的降解速度實(shí)現(xiàn)持續(xù)高效給藥，而且改變了傳統(tǒng)口服緩釋片劑無(wú)法直接對(duì)病源給藥的問(wèn)題。除此之外，3D打印的藥物緩釋載體在維持體內(nèi)藥物濃度平衡，避免全身用藥導(dǎo)致的藥物毒性方面起到關(guān)鍵作用。

寫(xiě)在最后

生物陶瓷材料是材料工業(yè)發(fā)展中的新興領(lǐng)域，目前由于應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，受到了世界各國(guó)的重視。而結(jié)合3D打印技術(shù)，生物陶瓷的組織工程應(yīng)用還將進(jìn)一步拓展。

3D打印生物陶瓷材料在醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛關(guān)注。目前，3D打印在多數(shù)骨缺損的臨床應(yīng)用中展現(xiàn)出良好的醫(yī)療效果，但在頜面修復(fù)、口腔病治療、種植牙維護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用方面仍存在困難。而且針對(duì)支架與活細(xì)胞和生長(zhǎng)因子或生物聚合物的集成打印，以及在制造過(guò)程中的納米尺度控制仍需大量深入研究。希望未來(lái)通過(guò)多學(xué)科交叉應(yīng)用，克服3D打印材料固有的力學(xué)缺陷，創(chuàng)造新型打印工藝，使3D打印生物陶瓷材料在口腔醫(yī)療、再生醫(yī)學(xué)、骨骼醫(yī)學(xué)、緩釋載體方面發(fā)揮更大作用，產(chǎn)生更大的實(shí)際價(jià)值。