奧地利Lithoz高精度陶瓷3D打印在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用
魔猴君 行業(yè)資訊 2264天前
3D打印技術(shù)生產(chǎn)的陶瓷產(chǎn)品在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域中具有巨大潛力，這在許多應(yīng)用中表現(xiàn)的尤為明顯，本位重點(diǎn)介紹奧地利Lithoz高精度陶瓷3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用案例。
多年來，具有生物相容性和生物可吸收性的陶瓷已經(jīng)廣泛應(yīng)用在創(chuàng)傷治療和整形外科等醫(yī)療領(lǐng)域。氧化鋯、氧化鋁和氮化硅作為高性能陶瓷材料的代表，由于其出色的機(jī)械性能，特別適用于生產(chǎn)永久性植入物和醫(yī)療器械。而且，這些材料具有超高的機(jī)械強(qiáng)度，耐磨性，低導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性以及優(yōu)良的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)。醫(yī)療部門不僅需要機(jī)械性能特別高的高性能陶瓷，同時(shí)也需要具有其他特性的生物可吸收陶瓷。磷酸三鈣和羥基磷灰石屬于可生物再吸收的陶瓷類，由于它們與骨骼的無機(jī)成分相似而被于生物可再吸收的植入物的生產(chǎn)。通過在愈合過程中材料的再吸收，可以向細(xì)胞提供必要的離子；同時(shí)，為細(xì)胞向內(nèi)生長創(chuàng)造了空間。理想狀態(tài)下，人造骨骼的降解速度與再生組織的生長一樣快，從而保證在整個(gè)愈合過程中保持一定的機(jī)械穩(wěn)定性。
奧地利Lithoz公司的基于光聚合方法生產(chǎn)的制造工藝（3D打印）是生產(chǎn)高度復(fù)雜的部件的非常有效的方法。目前，尤其在醫(yī)療裝置制造領(lǐng)域中受到越來越多的關(guān)注。通過“基于光固化高精度陶瓷3D打印（LCM）”工藝，可以將各種陶瓷（例如氧化鋯或羥基磷灰石（HA））制成幾乎任何形狀，包括實(shí)現(xiàn)外部（結(jié)構(gòu)形式）和內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)（孔設(shè)計(jì)）。LCM工藝通過光敏陶瓷漿料的選擇性固化，實(shí)現(xiàn)了生坯高的固含量（陶瓷顆粒的高填充密度），這是獲得致密且無缺陷的陶瓷組件的先決條件。打印過程遵循逐層打印原則。要打印的產(chǎn)品的CAD（“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”）文件實(shí)際上被分成非常薄的層，然后按順序制造和連接。通過選擇性曝光，有機(jī)基質(zhì)被交聯(lián)以形成聚合物網(wǎng)絡(luò)和陶瓷顆粒的復(fù)合物。聚合物網(wǎng)絡(luò)作為陶瓷顆粒之間的粘合劑，從而使其成形。在熱后處理中，首先在高溫下無殘留地除去有機(jī)基質(zhì)，并且通過在超過1000℃的溫度下燒結(jié)來生產(chǎn)最終的陶瓷組分。
通過打印工藝將漿料加工成植入體（陶瓷-聚合物復(fù)合材料），將其清潔，脫脂和燒結(jié)；隨后，可在獲得最終產(chǎn)品之前完成精加工
LCM工藝用于制造醫(yī)療裝置，可以根據(jù)個(gè)體患者的生理結(jié)構(gòu)，相對簡單地制作幾何結(jié)構(gòu)植入物并實(shí)現(xiàn)個(gè)性化植入物的生產(chǎn)。這允許完美的合體和更容易的定位。配合成像技術(shù)（如CT，MRI等），可以高精度地制造患者特異性醫(yī)療設(shè)備。與注塑成型截然不同，該技術(shù)不需要任何工具，可經(jīng)濟(jì)便捷地實(shí)現(xiàn)一個(gè)部件的定制、或者批量生產(chǎn)。
除了能夠制作患者特異性部分之外，還可以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以促進(jìn)甚至激活細(xì)胞向內(nèi)生長。為此需要具有確定的幾何形狀和孔徑的互連系統(tǒng)，以適合于相應(yīng)的細(xì)胞。LCM工藝可以實(shí)現(xiàn)最小120μm的線材、160μm孔，打印工藝具有高精度和可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)。
CAD模型（左）實(shí)際上切割成層（中間），材料通過動態(tài)選擇性曝光（“數(shù)字光處理”，DLP）逐層結(jié)構(gòu)化。
應(yīng)用案例：
1、心臟起搏器泵
LCM工藝具有合適的材料特性和原型生產(chǎn)的特性，因此維也納科技大學(xué)和維也納醫(yī)科大學(xué)的研究人員選擇LCM工藝作為心內(nèi)泵的制造方法。研究項(xiàng)目專注于心內(nèi)泵的生產(chǎn)，該心臟泵旨在支持手術(shù)（如心臟病發(fā)作）后心臟的抽吸能力，以在關(guān)鍵的愈合階段緩解心臟壓力。為該項(xiàng)目選擇的材料是氧化鋁，由于其生物惰性和極低的表面粗糙度，為血液接觸儀器提供了理想的條件。通過無需工具的增材制造工藝，可以在短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)和測試許多不同的設(shè)計(jì)模型。
奧地利Lithoz高精度陶瓷3D打印在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用
由高純度氧化鋁制成的心內(nèi)心臟泵的部件（為了更好的可視化，這些部件放大了10倍以上打印）
2、為患者特制的接骨板
林茨開普勒大學(xué)醫(yī)院的項(xiàng)目是應(yīng)用LCM工藝生產(chǎn)患者特異性骨縫合板。骨縫合板用于手術(shù)修復(fù)骨折部位，以便將骨折端固定在一起，同時(shí)固定骨折部位。傳統(tǒng)產(chǎn)品由金屬材料制成，并且必須由外科醫(yī)生在手術(shù)室中適當(dāng)彎曲。通過在計(jì)算機(jī)上的操作就可以生產(chǎn)適合于傷者或患者自身的接骨板，大大縮短了操作的時(shí)間。同時(shí)，與常規(guī)使用的材料（如鈦合金）相比，在所有高性能陶瓷中，使用具有高耐磨性和最高彈性的氧化鋯可以防止金屬顆粒的磨損。
由不同陶瓷材料制成的醫(yī)療部件的選擇
3、用于骨增強(qiáng)的可再吸收植入物
嚴(yán)重創(chuàng)傷或腫瘤切除后的骨替換仍然是醫(yī)生的主要挑戰(zhàn)。一方面，需要盡快恢復(fù)骨骼的穩(wěn)定性和保護(hù)功能，另一方面應(yīng)實(shí)現(xiàn)對身體自身骨細(xì)胞的良好愈合和定植。為此目的，使用可生物吸收的陶瓷（如磷酸三鈣），可以制造患者個(gè)性化植入物，例如用于嚴(yán)重顱腦損傷后的顱骨植入物、用于骨結(jié)構(gòu)的支架、在牙齒脫落后引入牙齒植入物之前的替代物。這是由奧地利組織再生機(jī)構(gòu)、路德維希玻爾茲曼實(shí)驗(yàn)研究所、臨床創(chuàng)傷學(xué)/ AUVA聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目。
由磷酸三鈣制成的植入物，用于在插入牙科植入物之前進(jìn)行頜骨增強(qiáng)
用于治療骨缺損的磷酸三鈣顱骨植入物
