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3D打印技術生產的陶瓷產品在醫療技術領域中具有巨大潛力，這在許多應用中表現的尤為明顯，本位重點介紹奧地利Lithoz高精度陶瓷3D打印技術在醫療領域中的應用案例。多年來，具有生物相容性和生物可吸收性的陶瓷已經廣泛應用在創傷治療和整形外科等醫療領域。氧化鋯、氧化鋁和氮化硅作為高性能陶瓷材料的代表，由于其出色的機械性能，特別適用于生產永久性植入物和醫療器械。而且，這些材料具有超高的機械強度，耐磨性，低導熱性和導電性以及優良的生物相容性等優點。醫療部門不僅需要機械性能特別高的高性能陶瓷，同時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成分相似而被于生物可再吸收的植入物的生產。通過在愈合過程中材料的再吸收，可以向細胞提供必要的離子；同時，為細胞向內生長創造了空間。理想狀態下，人造骨骼的降解速度與再生組織的生長一樣快，從而保證在整個愈合過程中保持一定的機械穩定性。

奧地利Lithoz公司的基于光聚合方法生產的制造工藝（3D打印）是生產高度復雜的部件的非常有效的方法。目前，尤其在醫療裝置制造領域中受到越來越多的關注。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，包括實現外部（結構形式）和內部幾何結構（孔設計）。LCM工藝通過光敏陶瓷漿料的選擇性固化，實現了生坯高的固含量（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。要打印的產品的CAD（“計算機輔助設計”）文件實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，有機基質被交聯以形成聚合物網絡和陶瓷顆粒的復合物。聚合物網絡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基質，并且通過在超過1000℃的溫度下燒結來生產最終的陶瓷組分。

圖1：Lithoz的LCM工藝的示意圖。通過打印工藝將漿料加工成植入體（陶瓷-聚合物復合材料），將其清潔，脫脂和燒結；隨后，可在獲得最終產品之前完成精加工

LCM工藝用于制造醫療裝置，可以根據個體患者的生理結構，相對簡單地制作幾何結構植入物并實現個性化植入物的生產。這允許完美的合體和更容易的定位。配合成像技術（如CT，MRI等），可以高精度地制造患者特異性醫療設備。與注塑成型截然不同，該技術不需要任何工具，可經濟便捷地實現一個部件的定制、或者批量生產。

除了能夠制作患者特異性部分之外，還可以設計結構以促進甚至激活細胞向內生長。為此需要具有確定的幾何形狀和孔徑的互連系統，以適合于相應的細胞。LCM工藝可以實現最小120μm的線材、160μm孔，打印工藝具有高精度和可重復性等優點。

圖2：結構化過程的示意圖：CAD模型（左）實際上切割成層（中間），材料通過動態選擇性曝光（“數字光處理”，DLP）逐層結構化。

 應用案例：

1、心臟起搏器泵

LCM工藝具有合適的材料特性和原型生產的特性，因此維也納科技大學和維也納醫科大學的研究人員選擇LCM工藝作為心內泵的制造方法。研究項目專注于心內泵的生產，該心臟泵旨在支持手術（如心臟病發作）后心臟的抽吸能力，以在關鍵的愈合階段緩解心臟壓力。為該項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，可以在短時間內生產和測試許多不同的設計模型。

圖3：由高純度氧化鋁制成的心內心臟泵的部件（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

林茨開普勒大學醫院的項目是應用LCM工藝生產患者特異性骨縫合板。骨縫合板用于手術修復骨折部位，以便將骨折端固定在一起，同時固定骨折部位。傳統產品由金屬材料制成，并且必須由外科醫生在手術室中適當彎曲。通過在計算機上的操作就可以生產適合于傷者或患者自身的接骨板，大大縮短了操作的時間。同時，與常規使用的材料（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。

圖4：由不同陶瓷材料制成的醫療部件的選擇

3、用于骨增強的可再吸收植入物

嚴重創傷或腫瘤切除后的骨替換仍然是醫生的主要挑戰。一方面，需要盡快恢復骨骼的穩定性和保護功能，另一方面應實現對身體自身骨細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），可以制造患者個性化植入物，例如用于嚴重顱腦損傷后的顱骨植入物、用于骨結構的支架、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構、路德維希玻爾茲曼實驗研究所、臨床創傷學/ AUVA聯合研發項目。

圖5：由磷酸三鈣制成的植入物，用于在插入牙科植入物之前進行頜骨增強

圖6：用于治療骨缺損的磷酸三鈣顱骨植入物

作者：Dr. Daniel Bomze-奧地利Lithoz公司
Prof. DI Dr. Heinz Redl-維也納路德維希?玻爾茲曼實驗和臨床創傷研究所

來源：Lithoz