生物医疗领域使用陶瓷3d打印面临的挑战
栏目:行业资讯 发布时间:2021-06-25
陶瓷材料在生物医学领域具有极大的吸引力,它们易于灭菌且具有较高的机械强度和耐磨性,在植入体内后也并不会引发过敏,具有生物惰性和较低的导热性,在ct或磁共振成像(mri)中更不会产生伪影。

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陶瓷材料在生物医学领域具有极大的吸引力,它们易于灭菌且具有较高的机械强度和耐磨性,在植入体内后也并不会引发过敏,具有生物惰性和较低的导热性,在ct或磁共振成像(mri)中更不会产生伪影。 


3d打印可以实现针对患者的电子游戏产品的解决方案,包括可吸收和永久性植入物、牙科植入物、牙冠和牙桥、医疗设备部件和手术工具等。骨骼本身可以被认为是高级的陶瓷基复合材料,原则上可以通过3d打印制造。实验表明,这种3d打印的人工骨具有高度的骨再生能力,甚至可以作为液体生物制剂的载体。


当前生物医学应用的重点是新结构,而不是新材料。与传统制造的钛和聚醚醚酮(peek)相比,由于减少了机械加工,因此可以预见到3d打印可以减少手术的复杂性,改善植入物的生物学反应并降低成本。


3d打印的陶瓷植入物


当前生物医疗领域使用陶瓷3d打印面临的挑战


医疗行业面临的挑战是需要验证3d打印生产的陶瓷零件。实际上,对于任何临床上可接受的生物材料,都必须满足几个要求:细胞相容性、生物相容性,功能性、手术友好性、可制造性以及成本效益和监管接受度。



生物陶瓷广泛使用3d打印技术的主要障碍包括:


▪ 要求临床医生在制造的所有阶段都参与进来;

▪ 造过程相对缓慢;

▪ 3d打印的零件需要标准和协议来鉴定和验证;

▪ 对每个零件都有检查的要求。


在开发和修改标准方面需要付出巨大的努力,而这些标准应建立在与国际标准组织和药品监督管理部门的合作以及整个生产验证的基础上。然而,到目前为止甚至没有关于生物墨水的通用定义,如生物墨水是否必须包含细胞。


对于零件检验, ct的使用和解释存在疑问,而ct已成为3d打印零件缺陷检测的重要工具。具体问题包括陶瓷中可发现的缺陷类型、使用ct将3d打印生产的零件与其他成形技术进行比较的方法/协议,以及验证关键缺陷尺寸和形状等特征的标准。为了有效的验证,3d打印制造商和用户需要掌握计量指导和标准,以及更好地将陶瓷、3d打印和医疗器械设计整合起来,临床医生也须积极参与3d打印陶瓷产品的开发和验证。


生物陶瓷3d打印的材料种类



1. 羟基磷灰石


羟基磷灰石( ha) 作为骨骼、牙齿的主要无机成分,并在各种组织和细胞之间表现出优异的生物相容性,使其成为应用广泛的人工骨替代材料。但ha强度低、脆性大、易碎,因而对ha制件抗压性、增韧性等力学性能的研究也从未间断。当前实验已经验证了3d打印制备的多孔羟基磷灰石植入人体具备可行性,制件的抗压强度和孔径要求满足作为植入体的要求,且能够实现细胞的粘附和生长。


3d打印的羟基磷灰石( ha)植入物 


2. 磷酸三钙


磷酸三钙( tcp)具有良好的生物相容性和可降解性,是目前应用比较多的人体硬组织修复材料和骨组织工程支架材料,但通常由外科医生从实体块手动雕刻成所需的植入物形状。国外particle3d公司使用由磷酸三钙粉末和脂肪酸制成的“生物墨水”,进行相关植入物的直接打印,通过猪和小鼠的试验显示,在短短八周后,植入物中就出现了新的骨髓和血管。


particle3d打印的β-tcp植入物


3. 氧化锆


3d打印义齿所使用的陶瓷材料通常是氧化锆,经过对患者牙模的数字化扫描与建模、三维设计、3d打印、脱脂烧结、上釉等工艺加工而成。这种氧化锆义齿的尺寸精度和通透性都较高。国内有公司利用陶瓷3d打印技术制作出氧化锆陶瓷义齿和全冠,产品在2017年通过我国药品监管部门的机械性能和生物学检验,获得上市许可。


3d打印的氧化锆陶瓷牙冠


在医疗中应用陶瓷还有氧化铝、氮化硅等,可用于生产永久性植入物及义齿等医疗器械,目前也已可以通过3d打印进行制造。 


生物陶瓷3d打印的应用案例



1. 心脏起搏器泵


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。研究项目专注于心内泵的生产,该心脏泵旨在支持手术(如心脏病发作)后心脏的抽吸能力,以在关键的愈合阶段缓解心脏压力。 


由高纯度氧化铝制成的心脏起搏器泵的部件(注:图中部件比实际放大了10倍以上)


2. 定制接骨板


林茨开普勒大学医院的项目是应用lcm工艺生产患者特异性骨缝合板。骨缝合板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。通过3d打印技术就可以生产适合于患者自身的接骨板,大大缩短了操作时间。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可以防止金属颗粒的磨损。


3d打印的陶瓷定制接骨板

 

3. 用于骨增强的可再吸收植入物


严重创伤或肿瘤切除后的骨替换仍然是医生的主要挑战。一方面,需要尽快恢复骨骼的稳定性和保护功能,另一方面应实现对身体自身骨细胞的良好愈合和定植。为此目的,使用可生物吸收的陶瓷(如磷酸三钙),可以制造患者个性化植入物,例如用于严重颅脑损伤后的颅骨植入物、用于骨结构的支架。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。

 

由磷酸三钙制成的植入物,在插入牙科植入物之前进行颌骨增强


用于治疗骨缺损的磷酸三钙颅骨植入物

 

2018年2月,西京医院骨科开展了3d打印支架长段骨缺损修复的临床试验。3d打印支架由西安点云生物科技有限公司采用无丝3d打印技术为患者量身定制,材料为生物相容性的陶瓷复合材料,能够在诱导患者自身新骨生成的同时逐渐降解,最终被患者的新生骨组织完全替代,无需二次手术取出,降低植入物在体内长期存在的潜在风险。


中国科学院深圳先进技术研究院医工所转化医学研究与发展中心利用先进的低温3d打印技术,制备了乙交酯-丙交酯共聚物/磷酸三钙可降解多孔支架,通过3d打印赋予此产品理想的促成骨仿生结构,孔隙之间具有很高的连通率,这种结构特征在组织学具有理想的骨传导作用,可提高骨细胞粘附、增殖和迁移,促进骨组织的生长。


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