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陶瓷3D打印技术在医疗领域的应用

浏览: 作者:赵玉林 来源: 时间:2020-06-18 分类:3D打印行业发展

     陶瓷是千年窑火淬出的传统工业,3D打印则是一项改变人类思维的全新技术,近些年来,“3D打印”技术不断被人们熟悉并应用,并成为科技界较火热的技术名词。“3D打印”历经三十余年发展,从熔融挤压FFF技术,到激光固化技术,再到多射流熔融(MJF)技术。这些技术已经在各个行业中发挥着巨大的作用。当“3D打印”与“陶瓷”两者碰撞在一起,究竟会产生什么样的火花我们还不得而知,但两者的融合正悄然带来一场变革。

        材料技术的发展深深促进了3D打印技术的发展。陶瓷材料是一种传统的无机材料,精美实用,已经有几千年的历史。硬而脆的特点使陶瓷材料加工成形尤其困难,传统陶瓷制作工艺只能制造简单三维形状的产品,而且成本高、周期长。陶瓷3D打印技术的发展使复杂陶瓷产品制作成为可能,3D打印技术所具有的操作简单、速度快、精度高等优点给陶瓷注入了新的活力。

 起初,3D打印技术在陶瓷领域的应用主要是模型的制作,利用3D打印的模具再翻模成型,制成精美的陶瓷产品。但随后,3D打印逐渐能够完成真实陶瓷产品的制作。近些年,国内外很多公司或科研团体在从事传统陶瓷的3D打印技术研究,取得了众多突破性进展。奥地利的Lithoz公司开发了基于光刻的陶瓷制造技术(LCM),2016年,Lithoz公司与苏黎世医科大学合作研究,打印用于治疗骨肿瘤的可降解的TCP支架,并进行植入实验,动物体内的支架在植入10天后被结缔组织包裹住,没有炎症发生。

 国内某医院利用可降解的支架为鼻窦炎手术后的恢复提供了有力“支撑”。

                  

                                                                                             可降解支架用于鼻窦炎手术后的恢复

 博力迈三维打印有限公司2017年发布了基于SLA技术的陶瓷3D打印机。2018年,博力迈三维打印科技有限公司与北京大学口腔医院合作,承担了国家重点研发计划“口腔修复体3D打印应用研究与临床示范”项目。借助SLA技术开发的最新型3d打印机CSL-100能够打印高精确度、高密度、高强度的陶瓷,材质包括氧化铝、氧化锆等,成为陶瓷3D打印的领导者。

陶瓷材料应用范围非常广泛,包含工业、医疗、民用等各个行业。医学领域中应用的陶瓷材料包括生物惰性陶瓷(如氧化铝、氧化锆、氮化硅等)和生物活性陶瓷(如磷酸三钙、羟基磷灰石等)。氧化铝、氧化锆和氮化硅陶瓷材料不会发生降解,具有较高的耐磨性和生物相容性,可被用于制作使用时间较长的植入性医疗器械,如人工股骨头、髋臼杯内衬、义齿等。国外研究人员已利用高纯度氧化铝,通过3D打印技术制作出心脏起搏泵。

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。博力迈三维打印科技有限公司利用陶瓷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,同年,首个氧化锆陶瓷义齿装入病人口内。

采用德国ATOS光学扫描仪,对打印并脱脂烧结的氧化锆陶瓷牙冠与设计牙冠比对表明,其关键内腔形貌尺寸误差小于41微米,合乎要求。                                           CSL-100型陶瓷3D打印机加工的义齿

磷酸三钙和羟基磷灰石的化学组成和骨骼成分相近,具有良好的生物相容性、骨诱导性、骨传导性、可降解性等性能。典型的应用是制造骨修复支架。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,并为细胞向内生长创造空间。陶瓷3D打印技术的应用,解决了医疗领域个性化产品加工困难的问题。

但无论是生物惰性陶瓷还是生物活性陶瓷,对于小批量、个性化的医疗产品来说,3D打印无疑是最佳方案,未来,陶瓷3D打印领域将有更多新工艺和新材料被应用到医疗领域中来,给患者带来新的治疗选择。    

陶瓷3D打印技术的应用,开拓了陶瓷3D打印技术应用于个性化医疗领域的新篇章。