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生物陶瓷人工骨傳統制備難點及3D打印的優勢

升華三維 2022-07-11 | 閱讀：647

自體骨被譽為骨缺損修復的“黃金標準”，但自體骨由于數量稀缺、多次手術、形狀難以控制等因素，限制了其在骨缺損修復中的應用，而異體骨又面臨著免疫排斥的巨大風險，人工骨無疑成了較為理想的替代品。可用作人工骨的材料包括金屬、高分子、陶瓷等，金屬骨在人體內經過長期腐蝕后析出的金屬離子，給人體的神經系統和內分泌系統帶來嚴重危害，高分子人工骨力學性能較低，易產生的應力松弛和蠕變問題，讓人們把目光轉向了生物陶瓷人工骨。

生物陶瓷人工骨材料特點及傳統制備的難點

生物陶瓷憑借優異的生物相容性廣受關注。是繼金屬人工骨之后，較為理想的人工骨缺損修復材料。生物陶瓷材料可以分為三大類；以氧化鋁、氧化鋯為代表的生物惰性陶瓷，以生物活性玻璃、羥基磷灰石為代表的生物活性陶瓷，以磷酸三鈣為代表的生物可降解陶瓷。不同的生物陶瓷有著各自的特點，如氧化鋁陶瓷硬度高，氧化鋯陶瓷韌性大，羥基磷灰石的化學成分與人體骨骼無機部分高度相似等。但陶瓷都有著一個共同的劣勢—脆性大，導致其在傳統加工技術中成本高，難以成形復雜結構體。

傳統人工骨加工

人工骨的傳統制備方法有造孔劑法、注模法、發泡法等。然而自然骨不僅外觀形態非常不規則，人與人之間的自然骨也存在著個體化差異，而且其內部結構也比較復雜，不同部位的密度不一。使用傳統加工方法難以加工出內部的微孔洞結構,產品不一定能滿足個體化患者的需求。因而想要讓人工骨在結構上模仿自然骨，是極具挑戰的。

3D打印生物陶瓷人工骨的優勢

3D打印生物陶瓷人工骨是近年來研究的熱點,最核心的技術優勢在于“仿生”。3D打印技術理論上能實現任意形狀的骨結構，與患者的骨缺損部位相符合。為人工骨的個性化、定制化、一體化復雜結構體制備提供了可能，能滿足生物醫療領域個體化治療的需求。并且通過3D打印的建模及拓撲優化，在保證良好的力學性能的同時，有效地控制其內部微孔洞結構的數量、大小及分布,打印出具有與人體骨組織相似的相互連通的微孔洞結構，為細胞、纖維等新生骨組織的長入提供生長空間,加快骨修復過程。

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3D打印骨結構

PEP技術在生物陶瓷人工骨制備的應用

作為國內領先的金屬/陶瓷間接3D打印整體解決方案供應商——升華三維利用基于自主研發的粉末擠出3D打印技術（PEP）的3D打印設備，實現了具有高強度、高度有序性、孔分布及孔結構高度可控的生物陶瓷人工骨打印。

生物相容性

在生物陶瓷3D打印中使用的陶瓷材料是最接近骨骼的合成材料羥基磷灰石、磷酸三鈣等。具有良好的生物相容性、無刺激性、無排異作用。它們在醫學領域因其骨導特性和患者身體排斥的風險最小而廣為人知。

無痛精度

憑借陶瓷3D打印技術的定制化能力，外科醫生能夠根據患者的骨缺損形態定制骨組織部件和植入物。由于減少了機械加工，避免了額外的痛苦手術，因此可以預見到3D打印可以減少手術的復雜性，并且改善了植入物的生物學反應并降低成本。

生物陶瓷植入體（樣品來源：升華三維）

獨特孔隙率

升華三維3D打印設備可以控制生物陶瓷人工骨微孔洞的位置和幾何形狀，制件的抗壓強度和孔徑要求滿足作為植入體的要求。三維多孔結構促進成骨細胞的粘附與增殖，允許組織液、細胞、生長因子進入材料內部，有利于新骨組織的長入，產品孔徑均勻，互相連通。

多孔結構設計（樣品來源：升華三維）

隨著制造科學、材料科學、力學、生命科學和再生醫學等多學科的交叉融合，增材制造生物陶瓷人工骨將會憑借著它獨特的優勢迎來臨床應用的曙光。升華三維不僅實現了生物陶瓷的制備和應用，還支持從不銹鋼、銅及銅合金、鎢及鎢合金、鈦及鈦合金、高溫合金、硬質合金難熔金屬等金屬材料，到氧化鋯、氧化鋁、氮化硅、碳化硅等特種陶瓷材料的打印，為3D打印大規模進入應用市場創造有利的客觀條件。

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