案例 l 高精度陶瓷3D打印在医疗行业的多种应用

| 3DScienceValley · 2018/08/07

3D打印技术生产的陶瓷产品在医疗技术领域中具有巨大潜力，这在许多应用中表现的尤为明显，本文重点介绍奥地利Lithoz高精度陶瓷3D打印技术在医疗领域中的应用。

多年来，具有生物相容性和生物可降解性的陶瓷已广泛应用在创伤治疗和整形外科等医疗领域。氧化锆、氧化铝和氮化硅作为高性能陶瓷材料的代表，由于其出色的机械性能，耐磨性，低导热性和导电性以及优良的生物相容性等优点，被广泛用于生产永久性植入物及其它医疗器械。医疗部门不仅需要机械性能特别高的高性能陶瓷，同时也需要具有其他特性的生物可降解陶瓷。磷酸三钙和羟基磷灰石属于生物可降解性的陶瓷类，由于它们与骨骼的无机成分相似而被于生物可降解的植入物的生产。通过在愈合过程中材料的降解，可以向细胞提供必要的离子；同时，为细胞向内生长创造了空间。理想状态下，人造骨骼的降解速度与再生组织的生长一样快，从而保证在整个愈合过程中保持一定的机械稳定性。

奥地利Lithoz公司的基于光固化方法的制造工艺（3D打印）是生产高度复杂的部件的非常有效的方法。目前，尤其在医疗器械制造领域中受到越来越多的关注。通过“基于光固化高精度陶瓷3D打印（LCM）”工艺，可以将各种陶瓷（例如氧化锆或羟基磷灰石（HA））制成几乎任何形状，实现外部（结构形式）和内部几何结构（孔设计）。LCM工艺通过光敏陶瓷浆料的选择性固化，实现了生坯高的固含量（陶瓷颗粒的高填充密度），这是获得致密且无缺陷的陶瓷零部件的先决条件。打印过程遵循逐层打印原则。要打印的产品的3D模型在lihtoz软件中自动被切成25μm厚的层，通过选择性曝光，有机基质被交联以形成聚合物和陶瓷颗粒的复合物。聚合物作为陶瓷颗粒之间的粘合剂，从而使其成形。在热后处理中，首先在高温下无残留地去除有机基质，并且通过在超过1000℃的温度下烧结来生产最终的陶瓷组分。

图1：Lithoz的LCM工艺的示意图。通过打印工艺将浆料加工成植入体（陶瓷-聚合物复合材料），将其清洁，脱脂和烧结，获得最终产品。

LCM工艺用于制造医疗器械，可以根据个体患者的生理结构，相对简单、便捷的生产个性化植入物，这些植入物完美匹配局部结构，植入定位更加精确。配合成像技术（如CT，MRI等），可以快速制造高度匹配患者需求的个性化植入物。与注塑成型截然不同，该技术不需要任何模具，可经济便捷地实现一个部件的定制、或者批量生产。

除了能够制造个性化的植入物之外，还可以设计结构以促进甚至激活细胞向内生长。为此需要具有确定的几何形状和孔径的互连系统，以适合于相应的细胞。LCM工艺可以实现最小120μm的薄壁结构、160μm的孔道结构，打印工艺具有高精度和可重复性等优点。

图2：LCM打印工艺示意图：CAD模型（左）-切片-选择性曝光逐层固化

应用案例：

1、心脏起搏器泵

由于Lithoz的LCM工艺生产的陶瓷零部件具有高精度、高的机械强度等优点，因此维也纳科技大学和维也纳医科大学的研究人员选择LCM工艺作为心脏起搏器泵的制造方法。该项目致力于制造使用氦气动力装置的机械心脏泵的设计、生产。该心脏泵旨在病人心脏手术后的临时心脏辅助泵，其与主动脉内气囊泵结合，可为冠状动脉血管优化供血，以在关键的愈合阶段缓解心脏压力。由于氧化铝材料具有优良的生物相容性、生物惰性和较高的表面光洁度，该项目选择其作为心脏起搏器泵的制造材料。通过lithoz的LCM打印工艺，可以在短时间内非常便捷的生产、测试、优化设计模型。

图3：由高纯度氧化铝制成的心脏起搏器泵的部件（为了更好的可视化，这些部件放大了10倍以上）

2、患者个性化骨修复

林茨开普勒大学医院的项目是使用lithoz的LCM工艺生产患者个性化骨缺损修复件。骨缺损修复件是用于手术修复骨折部位，以便将骨折端固定在一起，同时固定骨折部位。传统产品由金属材料制成，并且必须由外科医生在手术室中适当弯曲调整。但是结合CT等手段，得到完全符合骨修复部件的尺寸，通过lithoz的LCM技术，可以快速、高精度、高质量的生产非常符合患者骨修复部位的个性化骨修复件。同时，与常规使用的材料（如钛合金）相比，使用具有高耐磨性和最高弹性的氧化锆不会出现在使用过程中金属修复件磨损产生颗粒的问题。

图4：由不同陶瓷材料制成的医疗器械

3、骨替换的可降解植入物

严重创伤或肿瘤切除后的骨替换仍然是目前医学的主要挑战。一方面，需要尽快恢复骨骼的稳定性及其保护功能，另一方面应实现对身体自身骨细胞的良好愈合。为此目的，使用可生物可降解的陶瓷（如磷酸三钙），为患者生产个性化植入物，例如用于严重颅脑损伤后的颅骨植入物、用于骨结构支架等。这是由奥地利组织再生机构、路德维希玻尔兹曼实验研究所、临床创伤学/ AUVA联合研发项目。