交一生物材料视界：3D打印生物陶瓷材料概述- 大数跨境

CERADIR先进陶瓷在线

2023-10-10

3D打印(ThreeDimentionalPinting)又称增材制造(AdditiveManufacturing)技术即快速成型技术的一种，是一种以数字模型文件为基础，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、电子束、加热头、光固化等方法将粉末状金属、塑料等可粘合材料或细胞、组织等特殊材料，通过逐层打印的方式来构造出物体的技术。

生物陶瓷凭借优异的生物相容性广受关注。生物陶瓷材料可以分为三大类；以氧化铝、氧化锆为代表的生物惰性陶瓷，以生物活性玻璃、羟基磷灰石为代表的生物活性陶瓷，以磷酸三钙为代表的生物可降解陶瓷。不同的生物陶瓷有着各自的特点，如氧化铝陶瓷硬度高，氧化锆陶瓷韧性大，羟基磷灰石的化学成分与人体骨骼无机部分高度相似等，但陶瓷都有着一个共同的劣势—脆性大，导致其在传统加工技术中成本高，难以成形复杂型腔。增材制造技术是一种根据三维模型，通过层层堆叠使材料成形的新兴制造技术，其优势在于快速成型、个性定制化生产、一体化成形复杂结构。增材制造技术与生物陶瓷的结合能满足生物医疗领域个体化治疗的需求。

图1 3D打印生物陶瓷

3D打印技术发展现状

1.1

3D打印基本流程

1.1.1 建模

3D建模通俗来讲，就是利用三维制作软件在虚拟三维空间内构建出具有三维数据的模型。目前，建模途径有很多种，例如，直接从网上下载模型、通过3D扫描仪逆向工程建模，通3DMax,Maya,CAD(ComputerAidedDesign)等软件建模。

1.1.2 切片处理

首先，将设计成功的3D模型切成片层，并设计好打印的路径(填充密度、角度、外壳等)。其次，切片文件以.gcode格式储存，即一种3D打印机能直接读取并使用的文件格式。然后，再通过3D打印机控制软件，把.gcode文件发送给打印机，并控制3D打印机的参数，运动使其完成打印。

1.1.3 打印

启动3D打印机，通过数据线、SD卡等方式把Gcode格式的打印文件传送给3D打印机，同时，装入3D打印材料，调试打印平台，设定打印参数，然后打印机开始工作，材料逐层打印，最终一个完整的3D模型就会呈现在人们眼前。

1.2

3D打印技术的分类

针对陶瓷3D打印技术有多种，包括：数字光处理技术(digital light projection,DLP)、选择性激光烧结技术(selective laser sintering,SLS)、直接喷墨打印技术(directink-jetprinting,DIP)、三维打印成型技术(three dimensional printing,3D)、熔融沉积成型技术(fused deposition of ceramics,FDC)、浆料直写成型技术(direct ink writing,DIW)等。

目前DLP是应用最广泛的3D打印技术，其成型速度快、打印精度高，可以快速打印氧化锆、氧化铝、羟基磷灰石(hy-droxyapatite,HA)等陶瓷材料。SLS技术则主要用于氧化锆、氧化铝、碳化硅等陶瓷粉的加工。DIP技术主要用于加工氧化锆基陶瓷浆料，可作为制造氧化锆全瓷修复体的主要技术。3DP技术主要以氧化锆、氧化铝、氧化硅等陶瓷粉为原料，且基于该技术制造陶瓷模具的方法已经得到良好发展并成功市场化。FDC技术的常用原料通常为热塑性树脂结合剂，同时也可用于加工锆钛酸铅压电陶瓷、磷酸三钙(tricalciumphosphate,TCP)等材料。而DIW技术的原材料则包括：氧化锆、氧化铝、TCP、HA等。

用于打印的生物陶瓷材料

生物陶瓷材料(Bioceramics)是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料，即直接用于人体或与人体相关的生物、医用、生物化学等陶瓷材料。目前，以羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)、β-磷酸三钙(Tricalciumphosphate，TCP)和生物活性玻璃为代表的生物陶瓷材料应用最广泛。由于生物陶瓷材料具有良好的生物活性，同时与生物体组织结构和化学组成之间相似，使其在生物医学工程领域具有巨大发展潜力。

2.1

羟基磷灰石(HA)

羟基磷灰石是人体和动物骨骼中不可缺少的无机成分，在天然骨中含量高达60%，而在牙齿中高达90%。羟基磷灰石生物陶瓷材料对成骨细胞的增殖影响显著，具有成骨诱导效应。而且其具有良好的生物相容性和骨传导性，植入体内安全、无毒，是一种治疗骨损伤和替代齿骨方面的优良材料。

2.2

β-磷酸三钙(β-TCP)

TCP分为高温的α-TCP相和低温的β-TCP相。β-TCP在体内通过降解释放出大量的Ca和P来诱导新骨的形成。β-TCP生物相容性好，植入机体后可与骨直接融合，无任何局部炎性反应及全身毒副作用。除此之外，β-TCP利用3D打印技术搭配其他药物制备骨组织工程支架，能够促进成骨细胞的增殖，增强骨传导性和骨组织的修复能力。Zhou等在3D打印的β-TCP颌骨修复支架的研究中发现，β-TCP三维打印支架具有规则的多孔结构，适合细胞的黏附，新骨形成量高，而且在复合rhBMP-2后可异位成骨。

2.3

生物活性玻璃

生物活性玻璃(bioglass,BG)，是由L.Hench在1971年研制出的一种Na-Ca-Si系玻璃，该种玻璃植入人体后，能与生物环境发生一系列特殊的表面反应，使材料与自然组织形成牢固的化学键，进而具有生物活性。其中具有代表性的生物活性玻璃是45S5生物活性玻璃和S53P4生物活性玻璃。另外，随着研究的发现，其他无极非晶态结构的生物活性玻璃，因与软组织形成很好的结合，并可促进软组织的再生，也被认为是一种优异的骨、齿类修复材料。通过3D打印技术制备的介孔生物活性玻璃，其形态更加灵活，尺寸更精准。在搭配抗菌因子使用后，不仅具有诱导成骨的能力，而且可以修复和替代感染或受损的骨组织。

3D打印生物陶瓷材料的应用领域

3.1

口腔医学

外部创伤、龋坏与牙髓炎等导致牙体组织发生大面积缺损，显著弱化剩余牙体组织的抗力，容易出现牙体劈裂等病症。在临床研究中，常利用数控切削技术制作全瓷修复体，一般采用嵌体、高嵌体、全冠、桩核冠等修复体用于延长患牙使用寿命。近年来，随着3D打印技术的快速发展，国内外学者开始关注利用3D打印技术制作全瓷修复体。例如德国的ÖZKOL教授获得了固体含量分别为22%和27%的氧化锆陶瓷浆料，以及相对密度为97%的氧化锆单冠。需要说明的是，ÖZKOL并未评价全瓷冠的边缘适合性和力学性能。因此WANG等基于3D检测软件的方式，分别对切削和DLP制造的氧化锆全瓷冠的外表面、凹面、边缘区域和凹面咬合面的精度进行比较，发现通过3D打印制作的氧化锆全瓷冠的边缘及各轴面的密合度符合临床医学要求。

3.2

组织再生

3D打印技术促进组织再生，途径分为两种：一是利用3D打印生物支架收集宿主干细胞，在植入人体后，宿主干细胞分化变为成熟细胞，重新填充可降解支架，最终通过沉积形式产生新的细胞外基质；二是生物支架上负载各种细胞因子和化学物质，通过释放来促进宿主细胞的增殖分化。目前，应用最广泛的组织再生工程包括：组织气管再生、神经组织修复、皮肤表皮组织修复、各器官组织修复等，展现出良好的临床表现。

不同的结构设计也会对人工骨支架力学性能造成间接影响。近几年来，增材制造技术的快速发展让一些传统制造方式难以实现的复杂结构重新回归到研究人员的视野，如八面体结构、各向同性体心立方结构、晶格点阵结构等，甚至更为复杂的三次周期最小表面结构(triply periodic minimal surface，TPMS)。材料结构影响着骨支架受力时的力学分布状态，不均匀的力场分布会导致应力集中，从而使骨支架更容易发生局部断裂，降低了骨支架的力学性能，因此，合理的结构设计能有效地提高骨支架的力学性能。

图2 各种晶格的三次周期最小表面结构(a)钻石晶格结构(b) Octet 结构(c)各向同性 BBC 结构 (d) P 结构(e)D 结构；(f)G 结构；(g)IWP 结构。

3.3

骨修复

目前，3D打印在骨骼修复方面的研究最为深入，取得成果也最为显著。首先，3D打印的生物陶瓷以具有良好的生物力学性能和生物相容性的优势，在骨修复、骨骼生长等多方面发挥巨大作用。其次，为骨科手术辅助材料进行3D打印，有利于通过打印模型观察形变骨骼形态结构及异常生长状况，为制定手术方案提供参考。Geng等利用3D打印多孔HA支架用修复兔颅骨缺损，结果表明，3D打印支架内部空间逐渐被新生骨代替，新生骨和骨小梁结构样组织填充在缺损区域内。而且支架能够复合骨髓间充质干细胞和脐静脉内皮细胞，进而有效促进骨组织的生长，加快骨缺损修复。

3.4

药物缓释载体

缓释给药系统是指药物在体内以非恒速地从制剂中不间断释放，延长药物在体内停留时间，从而更好发挥药效作用，减少药物不良反应的一类给药系统。3D打印的生物陶瓷材料作为植入体内的药物缓释载体，通过控制表面微观结构和材料属性，使载体以不同程度的降解速度实现持续高效给药，而且改变了传统口服缓释片剂无法直接对病源给药的问题。除此之外，3D打印的药物缓释载体在维持体内药物浓度平衡，避免全身用药导致的药物毒性起到关键作用。Zheng等研究3D打印β-TCP负载PLGA抗结核药物缓释微球复合材料进行表征测试，利用PCR测定骨钙素(osteocalcin, OCN)和骨涎蛋白(bone sialoprotein, BSP)的表达，结果表明随培养时间延长，3D打印β-TCP复合材料的OCN和BSP基因相对表达量均呈逐渐增加趋势，且对SD大鼠的BMSCs无明显细胞毒性。

展望

3D打印生物陶瓷材料在医学工程领域已经被广泛关注。目前，3D打印在多数骨缺损的临床应用中展现出良好的医疗效果，但在颌面修复、口腔病治疗、种植牙维护等领域的应用方面仍存在困难。而且针对支架与活细胞和生长因子或生物聚合物的集成打印，以及在制造过程中的纳米尺度控制仍需大量深入研究。希望未来通过多学科交叉应用，克服3D打印材料固有的力学缺陷，创造新型打印工艺，使3D打印这项技术在口腔医疗、再生医学、骨骼医学、缓释载体方面发挥更大作用，产生更大的实际价值。