PEP技术在生物陶瓷人工骨制备的应用- 大数跨境

CERADIR先进陶瓷在线

2023-01-31

自体骨被誉为骨缺损修复的“黄金标准”，但自体骨由于数量稀缺、多次手术、形状难以控制等因素，限制了其在骨缺损修复中的应用，而异体骨又面临着免疫排斥的巨大风险，人工骨无疑成了较为理想的替代品。可用作人工骨的材料包括金属、高分子、陶瓷等，金属骨在人体内经过长期腐蚀后析出的金属离子，给人体的神经系统和内分泌系统带来严重危害，高分子人工骨力学性能较低，易产生的应力松弛和蠕变问题，让人们把目光转向了生物陶瓷人工骨。

生物陶瓷人工骨材料特点及传统制备的难点

生物陶瓷凭借优异的生物相容性广受关注。是继金属人工骨之后，较为理想的人工骨缺损修复材料。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，难以成形复杂结构体。

传统人工骨加工

人工骨的传统制备方法有造孔剂法、注模法、发泡法等。然而自然骨不仅外观形态非常不规则，人与人之间的自然骨也存在着个体化差异，而且其内部结构也比较复杂，不同部位的密度不一。使用传统加工方法难以加工出内部的微孔洞结构,产品不一定能满足个体化患者的需求。因而想要让人工骨在结构上模仿自然骨，是极具挑战的。

3D打印生物陶瓷人工骨的优势

3D打印生物陶瓷人工骨是近年来研究的热点,最核心的技术优势在于“仿生”。3D打印技术理论上能实现任意形状的骨结构，与患者的骨缺损部位相符合。为人工骨的个性化、定制化、一体化复杂结构体制备提供了可能，能满足生物医疗领域个体化治疗的需求。并且通过3D打印的建模及拓扑优化，在保证良好的力学性能的同时，有效地控制其内部微孔洞结构的数量、大小及分布,打印出具有与人体骨组织相似的相互连通的微孔洞结构，为细胞、纤维等新生骨组织的长入提供生长空间,加快骨修复过程。

3D打印骨结构

PEP技术在生物陶瓷人工骨制备的应用

有国内领先的金属/陶瓷间接3D打印整体解决方案供应商公司就利用基于自主研发的粉末挤出3D打印技术（PEP）的3D打印设备，实现了具有高强度、高度有序性、孔分布及孔结构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羟基磷灰石、磷酸三钙等。具有良好的生物相容性、无刺激性、无排异作用。它们在医学领域因其骨导特性和患者身体排斥的风险最小而广为人知。

无痛精度

凭借陶瓷3D打印技术的定制化能力，外科医生能够根据患者的骨缺损形态定制骨组织部件和植入物。由于减少了机械加工，避免了额外的痛苦手术，因此可以预见到3D打印可以减少手术的复杂性，并且改善了植入物的生物学反应并降低成本。

生物陶瓷植入体（样品来源：升华三维）

独特孔隙率

该3D打印设备可以控制生物陶瓷人工骨微孔洞的位置和几何形状，制件的抗压强度和孔径要求满足作为植入体的要求。三维多孔结构促进成骨细胞的粘附与增殖，允许组织液、细胞、生长因子进入材料内部，有利于新骨组织的长入，产品孔径均匀，互相连通。

多孔结构设计（样品来源：升华三维）

随着制造科学、材料科学、力学、生命科学和再生医学等多学科的交叉融合，增材制造生物陶瓷人工骨将会凭借着它独特的优势迎来临床应用的曙光。粉末挤出3D打印技术（PEP）的3D打印设备不仅实现了生物陶瓷的制备和应用，还支持从不锈钢、铜及铜合金、钨及钨合金、钛及钛合金、高温合金、硬质合金难熔金属等金属材料，到氧化锆、氧化铝、氮化硅、碳化硅等特种陶瓷材料的打印，为3D打印大规模进入应用市场创造有利的客观条件。