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3D打印生物陶瓷材料，未來可期

3D打印生物陶瓷材料，未來可期

編輯：轉(zhuǎn)自：先進陶瓷展 發(fā)布時間：2022-12-23

生物陶瓷材料主要是指基于特定生物或者生理功能，可以直接用于人體或者與人體直接相關的生物、醫(yī)用以及生物化學的陶瓷材料。生物陶瓷材料具有穩(wěn)定的理化性質(zhì)、良好的生物相容性、以及多種理化和生化功能，被廣泛應用于生物醫(yī)藥、硬組織修復和骨組織工程支架材料等領域。


生物陶瓷發(fā)展歷程

陶瓷作為生物醫(yī)學材料始于18世紀初。


1808年初成功制成了用于鑲牙的陶齒；

1871年，人們首次合成出羥基磷灰石 ,但是由于技術的限制，直至一個世紀以后才有羥基磷灰石生物陶瓷的成功應用報道。

1894年，H.Dreeman報道使用熟石膏作為骨替換材料；

1926年Bassett用X-射線衍射分析發(fā)現(xiàn)骨和牙的礦物質(zhì)與羥基磷灰石的X射線譜相似。

1928年，Leriche和Policard開始研究和應用磷酸鈣作為骨替換材料；

1930年，Naray-Szabo和Mehmel獨立地應用X-ray衍射分析確定了氟磷灰石的結構。

1963年在生物陶瓷發(fā)展史上也是重要的一年，該年Smith報告發(fā)展了一種陶瓷骨替代材料。

1969年美國Florida大學的Hench教授發(fā)明了生物玻璃，當把這種玻璃材料植入生物體內(nèi)作為骨骼和牙齒的替代物時，發(fā)現(xiàn)有些材料中的組織可以和生物體內(nèi)的組分互相交換或者反應，最終形成與生物體本身相容的性質(zhì)，構成新生骨骼和牙齒的一部分，這種將無機材料與生物醫(yī)學相聯(lián)系的開創(chuàng)性研究成果，很快得到了各國學者的高度重視。

1970年法國的Boutin用單一氧化鋁陶瓷澆制成人工股關節(jié)，開創(chuàng)了陶瓷用作人工骨、人工關節(jié)的先例；

1971年西德人開發(fā)了與骨、牙的無機組成相近的磷酸三鈣，動物實驗證實磷酸三鈣多孔體是優(yōu)良的骨置換材料。

1974年前后，日本的青木秀希和美國的Jarcho相繼發(fā)明了與人體骨、牙的無機組成極為相似的羥基磷灰石材料，這種材料具有與自體骨相仿的生物生容性和骨結合性，是當前世界公認的、理想的人工骨材料，已在臨床很多領域得到廣泛應用。

生物陶瓷種類


根據(jù)在生物體內(nèi)的活性，可將生物陶瓷材料分為３種：生物吸收性陶瓷、生物活性陶瓷和生物惰性陶瓷。

1. 生物吸收性陶瓷

生物吸收性陶瓷材料又稱生物可降解性陶瓷材料，最早是由Driskell等人于1973年報道并提出的，此報道指出β-Ca3（PO4）2多孔陶瓷材料植入生物體后，可以被快速吸收，并發(fā)生骨置換?？晌丈锾沾刹牧显谏矬w內(nèi)的作用是使缺損部位被新生的骨組織取代，而自身則被體液溶解吸收或被代謝系統(tǒng)排出體外，但其降解速度快，不利于誘導成骨。最常用的可吸收生物陶瓷材料主要有β-磷酸三鈣及硫酸鈣。

2. 生物活性陶瓷

生物活性陶瓷材料是一類能對機體組織進行修復、替代與再生，具有能使組織和材料之間形成鍵合作用的材料?！吧锘钚浴备拍钭钤缡怯擅绹腍ench教授提出的，它改變了人們傳統(tǒng)所認為的“任何人造植入體在人體內(nèi)都將引發(fā)異體反應并在界面形成非粘附性疤痕組織”的觀點，從而開創(chuàng)了生物活性材料的研究新領域。在生物活性陶瓷材料中一般含有羥基，可以將其做成多孔性，誘發(fā)新生骨的生長，并與生物組織表面發(fā)生牢固鍵合，且能被生物組織長入。最具代表性的生物活性陶瓷材料包括生物活性玻璃、羥基磷灰石陶瓷。

3. 生物惰性陶瓷

生物惰性陶瓷材料是指在生物體內(nèi)幾乎不發(fā)生變化的陶瓷材料。它們一般生物相容性好，具有穩(wěn)定的化學性能。生物惰性陶瓷材料具有不降解、耐腐蝕、耐磨損的優(yōu)點，且有較高硬度和抗彎強度。目前作為醫(yī)用陶瓷材料，主要用于人體骨骼、關節(jié)的修復與替換、人造牙根、中耳小骨和心臟瓣膜等。目前最常用的生物惰性陶瓷材料是氧化鋁陶瓷和氧化鋯陶瓷。近些年來，氮化硅陶瓷材料也因其優(yōu)異的生物相容性和力學性能引起了廣泛關注。

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氮化硅生物陶瓷材料（圖源：SINTX）

3D打印生物陶瓷

傳統(tǒng)的陶瓷加工時間長、成本高，而對于復雜的陶瓷，尤其是用于人體硬組織修復的生物陶瓷，如修復的牙齒、骨等，其幾何形狀復雜和內(nèi)部孔徑之間的相互貫通等，導致其加工難度較大，這就為材料的加工提出了巨大的挑戰(zhàn)。
3D打印技術的出現(xiàn)，為生物醫(yī)用陶瓷材料的精加工提供了較好的技術手段。最早的陶瓷3D打印技術于20世紀90年代開發(fā)實現(xiàn)，它設計靈活，可打印結構高度復雜、精密的零部件，且可以同時一次性構建多個打印對象，顯著的提高了生產(chǎn)效率。隨著技術的不斷發(fā)展和生物醫(yī)用陶瓷的需求量增大，個性化的設計和加工也通過3D打印技術得以實現(xiàn)。利用醫(yī)學的CT影像成形技術，通過反向3D建模，可實現(xiàn)患者的個性化需求，且因形態(tài)擬合程度高，可減少手術創(chuàng)傷。

3D打印生物陶瓷應用

1. 口腔醫(yī)學

主要應用于口腔內(nèi)牙齒或牙冠修復體、口腔內(nèi)種植體及口腔內(nèi)矯正體。運用3D打印生物陶瓷材料原位打印的口腔內(nèi)模型，能夠避免細菌感染，解決無法完全填充缺損區(qū)的問題，而且應用于齒類的支架，精度可以達到微米級。

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3D打印ZrO2陶瓷牙

（圖源：龔家寶等，《3D打印技術在生物醫(yī)用陶瓷硬組織領域的研究進展》）

2. 組織再生

3D打印生物陶瓷技術促進組織再生，途徑分為兩種：

一是利用3D打印生物陶瓷支架收集宿主干細胞，在植入人體后，宿主干細胞分化變?yōu)槌墒旒毎?，重新填充可降解支架，最終通過沉積形式產(chǎn)生新的細胞外基質(zhì)；

二是生物陶瓷支架上負載各種細胞因子和化學物質(zhì)，通過釋放來促進宿主細胞的增殖分化。
目前，應用最廣泛的組織再生工程包括：組織氣管再生、神經(jīng)組織修復、皮膚表皮組織修復、各器官組織修復等，展現(xiàn)出良好的臨床表現(xiàn)。

3. 骨修復

3D打印生物陶瓷在骨骼修復方面的研究最為深入，取得的成果也最為顯著。首先，3D打印的生物陶瓷具有良好的生物力學性能和生物相容性的優(yōu)勢，在骨修復、骨骼生長等多方面發(fā)揮巨大作用；其次，為骨科手術輔助材料進行3D打印，有利于通過打印模型觀察骨骼形態(tài)結構及異常生長狀況，為制定手術方案提供參考。

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骨科生物陶瓷材料（圖源：Ceramtec）

4. 藥物緩釋載體

3D打印的生物陶瓷材料作為植入體內(nèi)的藥物緩釋載體，通過控制表面微觀結構和材料屬性，使載體以不同程度的降解速度實現(xiàn)持續(xù)高效給藥，而且改變了傳統(tǒng)口服緩釋片劑無法直接對病源給藥的問題。除此之外，3D打印的藥物緩釋載體在維持體內(nèi)藥物濃度平衡，避免全身用藥導致的藥物毒性方面起到關鍵作用。

總結

生物陶瓷材料是材料工業(yè)發(fā)展中的新興領域，目前由于應用范圍不斷擴大，受到了世界各國的重視。而結合3D打印技術，生物陶瓷的組織工程應用還將進一步拓展。
3D打印生物陶瓷材料在醫(yī)學工程領域已經(jīng)被廣泛關注。目前，3D打印在多數(shù)骨缺損的臨床應用中展現(xiàn)出良好的醫(yī)療效果，但在頜面修復、口腔病治療、種植牙維護等領域的應用方面仍存在困難。而且針對支架與活細胞和生長因子或生物聚合物的集成打印，以及在制造過程中的納米尺度控制仍需大量深入研究。希望未來通過多學科交叉應用，克服3D打印材料固有的力學缺陷，創(chuàng)造新型打印工藝，使3D打印生物陶瓷材料在口腔醫(yī)療、再生醫(yī)學、骨骼醫(yī)學、緩釋載體方面發(fā)揮更大作用，產(chǎn)生更大的實際價值。