3D打印陶瓷的開創(chuàng)性醫(yī)療應(yīng)用

導(dǎo)讀：高性能3D打印陶瓷具有其他材料無(wú)法比擬的應(yīng)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(yīng)用有哪些？


△在 HA480 中 3D 打印的顴骨種植體。照片來(lái)自 Lithoz。

破解市場(chǎng)機(jī)會(huì)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(yīng)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(huì)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(chǎn)過程中需要面臨很多的挑戰(zhàn)，首先就是材料的質(zhì)量，材料質(zhì)量不能有任何的妥協(xié)。對(duì)于功能性3D 打印陶瓷更是如此，用戶需要材料特性來(lái)匹配最終產(chǎn)品。”最常見的陶瓷是氧化物材料，市場(chǎng)總量雖然不及金屬，但總量也高達(dá)在數(shù)十億美元左右。高性能3D打印陶瓷的應(yīng)用包括機(jī)械、電子、空間和醫(yī)學(xué)。

陶瓷增材制造是一個(gè)相對(duì)欠發(fā)達(dá)的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，但Homa卻選擇了這個(gè)賽道，他表示：“Lithoz擁有安裝設(shè)施和超過 50% 的市場(chǎng)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。

陶瓷3D打印面臨著巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樘沾杀旧硎且环N難以加工的材料，市場(chǎng)上幾乎沒有原始設(shè)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(gè)缺陷，那它是無(wú)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(dá)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(zhì)量降低 2%，強(qiáng)度可能降低 50%。


△HA480 3D 打印的頜骨植入物。照片來(lái)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(gè)聽起來(lái)充滿未來(lái)感的世界。在醫(yī)學(xué)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(biāo)準(zhǔn)程序是在患者頭部使用金屬板植入物。然而，金屬是一種導(dǎo)熱體，即使是洗個(gè)熱水澡也會(huì)很痛；甚至暴露在陽(yáng)光下有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致灼傷。如果給孩子做手術(shù)，隨著孩子的長(zhǎng)大，必須更換金屬板，導(dǎo)致手術(shù)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(shí)際的骨骼重新生長(zhǎng)。


△3D 打印的頜骨植入物的內(nèi)部體積。照片來(lái)自 Lithoz。

金屬板植入物相對(duì)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 描述了一個(gè)場(chǎng)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(jìn)行進(jìn)一步修復(fù)，因?yàn)闆]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(gè)強(qiáng)有力的骨增量案例和一個(gè)巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

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(shí)間的推移，植入的 3D 可打印材料或合成骨會(huì)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(lái)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(hù)人員和患者的一致好評(píng)，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(zhǎng)封閉表面的能力。


△使用 HA480 3D 打印的顱骨植入物。照片來(lái)自 Lithoz。

HA 代表羥基磷灰石，從化學(xué)角度講，它與骨骼礦物質(zhì)成分中的物質(zhì)完全相同，具有出色的生物相容性，以及至關(guān)重要的骨傳導(dǎo)性。當(dāng)骨骼長(zhǎng)入其中時(shí)，它會(huì)允許骨骼通過其毛孔生長(zhǎng)。在愈合過程中，首先，血管會(huì)長(zhǎng)出痛點(diǎn)，細(xì)胞會(huì)從這些血管中遷移到實(shí)際的植入物上，植入物會(huì)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(shí)際應(yīng)用
使用可 3D 打印的可吸收骨替代材料打開了一個(gè)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(dǎo)性能并且可以按照缺損形狀（特定于患者）成形，同時(shí)具有相互連接的孔隙網(wǎng)絡(luò)的材料是必要的，以便血管可以在內(nèi)部生長(zhǎng)，并且骨骼會(huì)長(zhǎng)入植入物中。 此外，嚴(yán)重的腦損傷會(huì)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(shí)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(qiáng)調(diào)了 LithaBone HA 480 的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
●壁厚大大增加，它可以達(dá)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(lái)自 Lithoz。

長(zhǎng)骨中關(guān)鍵尺寸缺陷的骨置換是3D打印能夠解決的另一個(gè)問題。這個(gè)挑戰(zhàn)在于彌合長(zhǎng)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(huì)傳聲嚴(yán)重的缺陷，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(diǎn)再次放在針對(duì)患者的設(shè)計(jì)和支架的開放式多孔網(wǎng)絡(luò)上。另一個(gè)挑戰(zhàn)是定義兩個(gè)骨骼末端的角度，這對(duì)于重建和再次充分發(fā)揮作用至關(guān)重要。

可以說，3D打印陶瓷有著光明的未來(lái)，市場(chǎng)上還有廣闊的空間可以探索，期待3D打印陶瓷更多的應(yīng)用場(chǎng)景！