Lithoz 談 3D 打印陶瓷的開創(chuàng)性醫(yī)療應用

高性能 3D 打印陶瓷具有解鎖新型材料應用的巨大潛力，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域提供了一些見解，具體內容如下：

破解市場機會密碼

在 3D 打印中，陶瓷經常被忽視，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 Lithoz 現(xiàn)在可以談論數(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用總是處于非常艱難的境地，但不管是生產一個還是一千個都沒關系，首先是材料質量不能妥協(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。高性能 3D 打印陶瓷的應用包括機械、電子、空間和醫(yī)學。

△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)達的市場機會方面，Lithoz 首席執(zhí)行官Homa 認為：“我們擁有最大的安裝基礎和最大的市場份額——我們擁有超過 50% 的市場份額。我們是技術和創(chuàng)新的領導者。陶瓷行業(yè)唯一可行的策略是以質量和創(chuàng)新為主導。“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備制造商自己這樣做。Homa強調說：“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域。在醫(yī)學界，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，標準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致灼傷。如果給孩子做手術，隨著孩子的長大，必須更換金屬板，導致手術創(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部細節(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、牙齒脫落和牙齒修復的更常見的創(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，不可能用牙冠進行進一步修復，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，從本質上講，Lithoz 提供了一種與患者骨骼“化學性質相同的合成材料”。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于長期結果的討論和報告。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：“從化學角度講，HA與骨骼礦物質成分中的物質完全相同。對于最終用戶而言，這意味著出色的生物相容性，以及至關重要的骨傳導性“這意味著當骨骼長入其中時，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絡的材料，以便血管可以在內部發(fā)芽，并且骨骼會長入植入物中。此外，嚴重的腦損傷會因出血、腫瘤或引流受阻而導致腦腫脹。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 強調了 LithaBoneHA 480 的幾個優(yōu)點，包括壁厚大大增加：“它可以達到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癥�！�

長骨中關鍵尺寸缺陷的骨置換是 3D 打印解決反復出現(xiàn)問題的另一個應用。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。自行愈合的嚴重缺陷可能導致假關節(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計和支架的開放式多孔網絡上。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)揮作用至關重要�！�

3D 打印陶瓷有著光明的未來，還有更多令人興奮的應用。您可以在此處詳細了解Lithoz 如何在3D 打印陶瓷應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。