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医疗植入物的市场需求赋予陶瓷3D打印颠覆潜力

2017-11-27 9:03:45 点击:

       陶瓷材料在医疗领域的一个关键应用是髋关节置换术。陶瓷在髋关节成形术中的应用始于几十年前,在国内包括上海材料所的张培志教授在陶瓷人工髋关节的研究方面有着多年的经验。如今,在全球范围内,髋关节置换手术的数量正在不断上升。随着人口的老龄化,数百人每天都要更换髋关节。今天,市场上使用的大多数髋关节植入物是由钛和陶瓷制成的。

       不仅仅是髋关节植入物,各种类型的医疗植入物正在帮助世界各地的许多人改善生活质量,虽然植入物所使用的材料会根据患者的年龄、活动水平以及外科医生进行手术的偏好等因素而有所不同,但陶瓷材料已经被证明最强、最耐磨、多功能的解决方案。

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     陶瓷由于其对人体内的化学物质的抵抗力而成为医疗应用的首选材料。而且与金属和聚乙烯相比,陶瓷材料已经被证明具有极好的耐磨性。通常情况下,陶瓷部件可以保持20年以上良好的使用状态,一些陶瓷部件的磨损率仅为每三百万次循环0.032毫米。而陶瓷材料的生物相容性意味着它们在插入体内时不会引发任何类型的化学反应。这是由于该材料具有强大的化学键和高纯度成分。

      当然,并不是所有的陶瓷都是不可降解的。3D打印陶瓷植入物的应用点并不局限在耐磨和耐化学方面,陶瓷植入物包括氮化硅、氧化铝、羟基磷灰石等种类,其中羟基磷灰石等陶瓷材料具有良好的生物相容性,在植入到体内之后将逐渐被人体降解吸收,生物工程和再生医学领域的科学家们利用此类陶瓷材料的特点研发出用于修复骨骼缺损的陶瓷生物支架。

       全球植入物市场的领先企业一直致力于实现产品差异化和保持价格差异,以吸引更多的消费者。全球植入物市场由Zimmer Biomet,Johnson&Johnson,Depuy,Stryker和Smith&Nephew领导。这些公司在全球市场占有很大的份额。

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      - Amedica 公司将氮化硅材料制造应用于骨科植入物制造领域,Amedica 公司的氮化硅材料所具有的稳定性、耐磨性、强度和断裂韧度、抗菌性可以满足植入物制造的要求。Amedica 使用的氮化硅植入物3D打印技术是自动注浆成型技术(robot depostion or robocasting )。自动注浆成型技术是一种致密陶瓷材料和复合材料的制造技术,该技术通过CAD 设计得到产品结构图形,设备将按照CAD设计方案挤出一层陶瓷浆料,然后浆料挤出装置向上精确的移动到设计方案确定的高度,并在第一层的基础上挤出第二层浆料。通过陶瓷浆料的逐层挤出成型制备出复杂的陶瓷三维结构。据3D科学谷了解,国内的科研机构也对自动注浆成型技术进行了探索和研究,例如清华大学材料系。

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     - 在促进骨骼再生方面,美国西北大学的材料科学家研发出一种适合3D打印的羟基磷灰石材料,该材料被加入了一定比例的乳酸-羟基乙酸,这让3D打印的支架在无需添加生长因子的情况下也具有良好的骨骼再生促进能力。具体来说,美国西北大学开发出一种新的3D打印液体油墨材料,在室温下通过该材料每小时可以3D打印出275立方厘米的骨骼修复支架。通过这种材料3D打印的骨骼修复支架表现出良好的韧性和吸附能力。与普通羟基磷灰石材料支架的不同之处,这种油墨打印的支架在受到挤压时可以迅速恢复到原来的形状。支架的孔隙率为50%,支持人体细胞生长和增殖。

    - 通过3D 打印个体化制备的植入物进行组织缺损的修复,可以大大提高外科手术的精确性与安全性。奥地利Lithoz公司制造的3D陶瓷打印设备可以打印出满足这一医疗需求的骨骼植入体。基于增材制造思想,Lithoz公司研发了独特而优秀的生产结构陶瓷的方法。LCM技术(基于光刻技术的陶瓷3D打印), 使快速经济的生产高性能陶瓷功能件成为可能,材料性能不低于使用传统模式大批量生产的部件。Lithoz的LCM技术3D陶瓷打印设备可以制备出多种孔尺度与复孔结构的陶瓷制品,例如可以制备出作为骨骼植入体的生物陶瓷支架磷酸三钙样件,仍然具有很好的生物相容性,其各种性能上达到传统工艺制造出的同样部件。

此外,荷兰Moergestel的Admatec也通过紫外激光固化光敏树脂与陶瓷粉的混合物。

    - 在商业转化方面,欧洲的RESTORATION研究项目和他们的合作伙伴 JRI骨科(Orthopaedics)开发出了新的可吸收生物陶瓷材料,可用于三种不同的应用:下颌骨、脊椎和膝盖,这些产品可以应用在局部的关节缺陷区域,并且通过微创手术减轻患者的痛苦。JRI骨科是一家英国整形外科植入物和外科手术仪器的制造商,基于项目的研究结果,JRI骨科会做进一步的研发,创造出一些自己的产品,比如可以用做骨填充的生物陶瓷,和3D打印用于治疗骨骼软骨缺损的插头等。RESTORATION项目开发的生物陶瓷还用于锥体修复和颌面骨折修复方面。

      - 在科研方面,多伦多大学的生物材料和生物医学工程研究院的Bob Pilliar教授,不断的在寻找更加天然的骨科材料,这些材料是面向下一代骨科置换手术的。为了取代人工膝关节和髋关节,材料的组分必须是可生物降解的、持久的。Bob Pilliar教授最终发现聚磷酸钙的秘诀,这是一种与人类骨中同一种矿物组成的粉末,Bob Pilliar教授由此被称为加拿大生物陶瓷之父。

     Bob Pilliar教授制造生物陶瓷植入物的系统利用紫外光将磷酸钙粉末固化,Vlasea能够制造非常精确的管和腔内植入物。像一个蚁丘,微小的孔可以实现养分运输的内部网络管道。一旦植入,人的自然骨细胞将扩散进来并逐渐形成自然骨骼结构。并且还可以设计内部排列毛孔的结构,可以使种植体内部的天然骨以不同的速度生长,同样的设计原理还可以运用到燃料电池和牙科植入物的设计中。随着时间的推移,3D打印的聚磷酸钙被逐渐吸收在人体内,病人自身的组织和细胞代替了植入物的位置,并且保留了人工植入物的形状。研究人员的努力不局限于小块的骨植入物,他们在尝试打印更大的植入物,一旦成功了将为患者带来极大的福音。