3D打印生物陶瓷材料,未来可期-金属3D打印工厂

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3D打印生物陶瓷材料,未来可期

| 3DScienceValley · 2022/12/26

生物陶瓷材料主要是指基于特定生物或者生理功能,可以直接用于人体或者与人体直接相关的生物、医用以及生物化学的陶瓷材料。生物陶瓷材料具有稳定的理化性质、良好的生物相容性、以及多种理化和生化功能,被广泛应用于生物医药、硬组织修复和骨组织工程支架材料等领域。

传统的陶瓷加工时间长、成本高,而对于复杂的陶瓷,尤其是用于人体硬组织修复的生物陶瓷,如修复的牙齿、骨等,其几何形状复杂和内部孔径之间的相互贯通等,导致其加工难度较大,这就为材料的加工提出了巨大的挑战。3D打印技术的出现,为生物医用陶瓷材料的精加工提供了新的技术手段。本期,3D科学谷将分享生物陶瓷材料的发展历程、种类以及生物陶瓷3D打印技术在医疗领域的应用。

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 生物陶瓷发展历程

陶瓷作为生物医学材料始于18世纪初。

1808年初成功制成了用于镶牙的陶齿;1871年,人们首次合成出羟基磷灰石 ,但是由于技术的限制,直至一个世纪以后才有羟基磷灰石生物陶瓷的成功应用报道。

1894年,H.Dreeman报道使用熟石膏作为骨替换材料;1926年Bassett用X-射线衍射分析发现骨和牙的矿物质与羟基磷灰石的X射线谱相似。

1928年,Leriche和Policard开始研究和应用磷酸钙作为骨替换材料;1930年,Naray-Szabo和Mehmel独立地应用X-ray衍射分析确定了氟磷灰石的结构。

1963年在生物陶瓷发展史上也是重要的一年,该年Smith报告发展了一种陶瓷骨替代材料。

1969年美国Florida大学的Hench教授发明了生物玻璃,当把这种玻璃材料植入生物体内作为骨骼和牙齿的替代物时,发现有些材料中的组织可以和生物体内的组分互相交换或者反应,最终形成与生物体本身相容的性质,构成新生骨骼和牙齿的一部分,这种将无机材料与生物医学相联系的开创性研究成果,很快得到了各国学者的高度重视。

1970年法国的Boutin用单一氧化铝陶瓷浇制成人工股关节,开创了陶瓷用作人工骨、人工关节的先例;1971年西德人开发了与骨、牙的无机组成相近的磷酸三钙,动物实验证实磷酸三钙多孔体是优良的骨置换材料。

1974年前后,日本的青木秀希和美国的Jarcho相继发明了与人体骨、牙的无机组成极为相似的羟基磷灰石材料,这种材料具有与自体骨相仿的生物生容性和骨结合性,是当前世界公认的、理想的人工骨材料,已在临床很多领域得到广泛应用。

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 生物陶瓷种类

根据在生物体内的活性,可将生物陶瓷材料分为3种:生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷。

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© 3D科学谷白皮书

1. 生物惰性陶瓷

生物惰性陶瓷材料是指在生物体内几乎不发生变化的陶瓷材料。它们一般生物相容性好,具有稳定的化学性能。生物惰性陶瓷材料具有不降解、耐腐蚀、耐磨损的优点,且有较高硬度和抗弯强度。目前作为医用陶瓷材料,主要用于人体骨骼、关节的修复与替换、人造牙根、中耳小骨和心脏瓣膜等。目前最常用的生物惰性陶瓷材料是氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷。近些年来,氮化硅陶瓷材料也因其优异的生物相容性和力学性能引起了广泛关注。

2. 生物活性陶瓷

生物活性陶瓷材料是一类能对机体组织进行修复、替代与再生,具有能使组织和材料之间形成键合作用的材料。“生物活性”概念最早是由美国的Hench教授提出的,它改变了人们传统所认为的“任何人造植入体在人体内都将引发异体反应并在界面形成非粘附性疤痕组织”的观点,从而开创了生物活性材料的研究新领域。在生物活性陶瓷材料中一般含有羟基,可以将其做成多孔性,诱发新生骨的生长,并与生物组织表面发生牢固键合,且能被生物组织长入。最具代表性的生物活性陶瓷材料包括生物活性玻璃、羟基磷灰石陶瓷。

3. 生物吸收性陶瓷

生物吸收性陶瓷材料又称生物可降解性陶瓷材料,最早是由Driskell等人于1973年报道并提出的,此报道指出β-Ca3(PO4)2多孔陶瓷材料植入生物体后,可以被快速吸收,并发生骨置换。可吸收生物陶瓷材料在生物体内的作用是使缺损部位被新生的骨组织取代,而自身则被体液溶解吸收或被代谢系统排出体外,但其降解速度快,不利于诱导成骨。最常用的可吸收生物陶瓷材料主要有β-磷酸三钙及硫酸钙。

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氮化硅生物陶瓷材料(图源:SINTX)

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 3D打印生物陶瓷及应用

最早的陶瓷3D打印技术于20世纪90年代开发实现,它设计灵活,可打印结构高度复杂、精密的零部件,且可以同时一次性构建多个不同的打印对象,显著的提高了批量定制的生产效率。随着技术的不断发展和生物医用陶瓷的需求量增大,个性化的设计和加工也通过3D打印技术得以实现。利用医学的CT影像成形技术,通过反向3D建模,可实现患者的个性化需求,且因形态拟合程度高,可减少手术创伤。

生物陶瓷材料已被广泛应用于医疗领域,从医学学科上来看,生物陶瓷材料的应用范围涵盖骨科、牙科、颅颌面外科、耳鼻喉科以及药物输送。而生物陶瓷3D打印技术在这些领域得到了不同程度的应用发展。

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© 3D科学谷白皮书

1. 口腔医学

主要应用于口腔内牙齿或牙冠修复体、口腔内种植体及口腔内矫正体。根据3D科学谷,目前的全瓷冠(如氧化锆)CAM 铣削加工中,陶瓷零件是由预制毛坯在预烧结状态下加工而成的,由于陶瓷固有强度较低,铣削加工中薄边框可能会出现断裂,从而导致设计和制造出来的零件之间出现明显的差异。基于这个原因,薄边框和边缘通常需要在这些区域进行过度的轮廓设计,以防止加工过程中边缘断裂。然而,这也导致这些区域中大量的后处理工作。陶瓷3D打印技术为牙冠修复提供了新的设计自由度,同时有望克服标准陶瓷牙冠加工的技术限制。

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3D打印ZrO2陶瓷牙

图源:龚家宝等,《3D打印技术在生物医用陶瓷硬组织领域的研究进展》

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北京工业大学陈继民教授团队,采用基于光聚合工艺的3D打印技术制备了全瓷冠和种植体用ZrO2(3Y)/Al2O3生坯。图为不同角度ZrO2(3Y)/Al2O3种植体 (a) 坯体;(b) 烧结体。

2. 组织再生

3D打印生物陶瓷技术促进组织再生,途径分为两种:

一是利用3D打印生物陶瓷支架收集宿主干细胞,在植入人体后,宿主干细胞分化变为成熟细胞,重新填充可降解支架,最终通过沉积形式产生新的细胞外基质;

二是生物陶瓷支架上负载各种细胞因子和化学物质,通过释放来促进宿主细胞的增殖分化。

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美国西北大学和伊利诺斯大学健康大学的Ramille N. Shah博士研究团队研发了一种可在相对低温环境下进行3D打印的生物活性陶瓷油墨,可用于制造植入体内的骨再生支架,支架具有超高弹性,材料中含有高比例的羟基磷灰石。

图源:US20180243484

目前,应用最广泛的组织再生工程包括:组织气管再生、神经组织修复、皮肤表皮组织修复、各器官组织修复等,展现出良好的临床表现。

3. 骨修复

3D打印生物陶瓷在骨骼修复方面的研究最为深入,取得的成果也最为显著。首先,3D打印的生物陶瓷具有良好的生物力学性能和生物相容性的优势,在骨修复、骨骼生长等多方面发挥巨大作用;其次,为骨科手术辅助材料进行3D打印,有利于通过打印模型观察骨骼形态结构及异常生长状况,为制定手术方案提供参考。

根据3D科学谷的市场观察,通过生物陶瓷3D打印技术制造关节植入物也是典型的应用。例如,德国弗劳恩霍夫(Fraunhofer)旗下的5家研究所正在开展的FingerKIt 项目,就是一个基于生物陶瓷3D打印技术开发指关节植入物的项目,项目团队通过粘结剂喷射3D打印技术进行工艺开发,并开发了陶瓷材料,旨在提高生物相容性和骨整合性,从而提高植入物对原始关节的适应性特性。

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3D打印指关节

值得关注的是骨组织支架或植入物结构设计中的晶格,其规则的孔洞能够在促进组织生长的同时提供结构性支撑,其晶格成型难的问题可以采用3D打印技术得到解决,在这方面,国内升华三维生物还开发了陶瓷3D打印晶格结构解决方案。

4. 药物缓释载体

3D打印的生物陶瓷材料作为植入体内的药物缓释载体,通过控制表面微观结构和材料属性,使载体以不同程度的降解速度实现持续高效给药,而且改变了传统口服缓释片剂无法直接对病源给药的问题。除此之外,3D打印的药物缓释载体在维持体内药物浓度平衡,避免全身用药导致的药物毒性方面起到关键作用。

3D打印生物陶瓷材料,未来可期

 总结

生物陶瓷材料是材料工业发展中的新兴领域,目前由于应用范围不断扩大,受到了世界各国的重视。而结合3D打印技术,生物陶瓷的组织工程应用还将进一步拓展。

3D打印生物陶瓷材料在医学工程领域已经被广泛关注。目前,3D打印在多数骨缺损的临床应用中展现出良好的医疗效果,但在颌面修复、口腔病治疗、种植牙维护等领域的应用方面仍存在困难。而且针对支架与活细胞和生长因子或生物聚合物的集成打印,以及在制造过程中的纳米尺度控制仍需大量深入研究。希望未来通过多学科交叉应用,克服3D打印材料固有的力学缺陷,创造新型打印工艺,使3D打印生物陶瓷材料在口腔医疗、再生医学、骨骼医学、缓释载体方面发挥更大作用,产生更大的实际价值。

本文来源于“ CERADIR先进陶瓷在线”

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