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，本位重点介绍奥地利Lithoz高精度陶瓷3D打印技术在医疗领域中的应用案例。多年来，具有生物相容性和生物可吸收性的陶瓷已经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，特别适用于生产永久性植入物和医疗器械。而且，这些材料具有超高的机械强度，耐磨性，低导热性和导电性以及优良的生物相容性等优点。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吸收陶瓷。磷酸三钙和羟基磷灰石属于可生物再吸收的陶瓷类，由于它们与骨骼的无机成分相似而被于生物可再吸收的植入物的生产。通过在愈合过程中材料的再吸收，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公司的基于光聚合方法生产的制造工艺（3D打印）是生产高度复杂的部件的非常有效的方法。目前，尤其在医疗装置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，包括实现外部（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组件的先决条件。打印过程遵循逐层打印原则。要打印的产品的CAD（“计算机辅助设计”）文件实际上被分成非常薄的层，然后按顺序制造和连接。通过选择性曝光，有机基质被交联以形成聚合物网络和陶瓷颗粒的复合物。聚合物网络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除去有机基质，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；随后，可在获得最终产品之前完成精加工

LCM工艺用于制造医疗装置，可以根据个体患者的生理结构，相对简单地制作几何结构植入物并实现个性化植入物的生产。这允许完美的合体和更容易的定位。配合成像技术（如CT，MRI等），可以高精度地制造患者特异性医疗设备。与注塑成型截然不同，该技术不需要任何工具，可经济便捷地实现一个部件的定制、或者批量生产。

除了能够制作患者特异性部分之外，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的线材、160μm孔，打印工艺具有高精度和可重复性等优点。

图2：结构化过程的示意图：CAD模型（左）实际上切割成层（中间），材料通过动态选择性曝光（“数字光处理”，DLP）逐层结构化。

应用案例：

1、心脏起搏器泵

LCM工艺具有合适的材料特性和原型生产的特性，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工艺作为心内泵的制造方法。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。为该项目选择的材料是氧化铝，由于其生物惰性和极低的表面粗糙度，为血液接触仪器提供了理想的条件。通过无需工具的增材制造工艺，可以在短时间内生产和测试许多不同的设计模型。

图3：由高纯度氧化铝制成的心内心脏泵的部件（为了更好的可视化，这些部件放大了10倍以上打印）

2、为患者特制的接骨板

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。通过在计算机上的操作就可以生产适合于伤者或患者自身的接骨板，大大缩短了操作的时间。同时，与常规使用的材料（如钛合金）相比，在所有高性能陶瓷中，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。

图4：由不同陶瓷材料制成的医疗部件的选择

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、在牙齿脱落后引入牙齿植入物之前的替代物。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。

图5：由磷酸三钙制成的植入物，用于在插入牙科植入物之前进行颌骨增强

图6：用于治疗骨缺损的磷酸三钙颅骨植入物

作者：Dr. Daniel Bomze-奥地利Lithoz公司
Prof. DI Dr. Heinz Redl-维也纳路德维希•玻尔兹曼实验和临床创伤研究所

来源：Lithoz