Lithoz 谈 3D 打印陶瓷的开创性医疗应用

高性能 3D 打印陶瓷具有解锁新型材料应用的巨大潜力，这是其他材料类别无法比拟的。Johannes Homa 和 Daniel Bomze分别是光固化增材制造陶瓷厂商 Lithoz 公司的首席执行官和医疗解决方案总监，他们二人最近就这个令人兴奋的增材制造领域提供了一些见解，具体内容如下：

破解市场机会密码

在 3D 打印中，陶瓷经常被忽视，成为仅次于金属和聚合物的第三大材料选择。就目前的使用量而言，排在第三位，但随着增材技术的不断发展， 3D 打印陶瓷有可能逐渐丰富起来。陶瓷材料属于无机非金属材料，这一大类别主要包括水泥、混凝土、玻璃、砖和陶器，其中仅水泥就是世界上使用量第二大的材料。那么，为什么 3D 打印陶瓷会落后呢？

事实上，滞后是错误的词，或者至少是错误的时态，尤其是当 Lithoz 现在可以谈论数百万的数量时，一个客户每年 3D 打印超过 200 万个零件。从历史上看，破解增材制造陶瓷的密码一直具有挑战性。Lithoz 首席执行官 Johannes Homa 解释说：“增材制造在陶瓷方面的应用总是处于非常艰难的境地，但不管是生产一个还是一千个都没关系，首先是材料质量不能妥协。” Homa 还表示，对于功能性 3D 打印陶瓷，需要材料特性来匹配最终产品。

最常见的陶瓷材料多是氧化物，如氧化铝、氧化锆等，市场总量虽然不及金属，但可以量化在数十亿美元的范围内。高性能 3D 打印陶瓷的应用包括机械、电子、空间和医学。

△在HA480 中 3D 打印的颧骨种植体。 照片来自Lithoz。

在如何利用好3D打印陶瓷这个相对欠发达的市场机会方面，Lithoz 首席执行官Homa 认为：“我们拥有最大的安装基础和最大的市场份额——我们拥有超过 50% 的市场份额。我们是技术和创新的领导者。陶瓷行业唯一可行的策略是以质量和创新为主导。“Lithoz 正是通过这种方法发展壮大，在全球拥有 140 多名员工。他们将如何保持和扩大这种领先优势？

陶瓷 3D 打印面临着挑战：陶瓷是一种难以加工的材料，几乎没有任何原始设备制造商自己这样做。Homa强调说：“合同制造商做的是大多数工作是需要保证高性能，一旦零件有一个缺陷，它将是无用的。98% 的密度并不是质量降低 2%，这意味着巨大的差异，强度可能降低 50%。” 这种困难解释了为什么要在材料研究和开发上投入大量精力。材料必须达到高最终密度才能提供功能性材料特性。

△HA4803D 打印的颌骨植入物。 照片来自 Lithoz。

陶瓷骨替代材料

谈到 Lithoz 生产的材料，医疗解决方案总监 Daniel Bomze 介绍了骨替代材料这个充满未来感的新领域。在医学界，在各种情况下都可能需要更换骨骼，例如，头部外伤伴有脑出血，需要将骨骼切掉。在这种情况下，标准程序是在患者头部使用金属板植入物。然而，金属是一种很好的导热体，即使是洗个热水澡也会很痛；甚至暴露在阳光下有时也会导致灼伤。如果给孩子做手术，随着孩子的长大，必须更换金属板，导致手术创伤更大。用一种可以被重新吸收的材料代替金属植入物，让实际的骨骼重新生长，这似乎是有利的。

△3D 打印的颌骨植入物的内部细节图。照片来自 Lithoz。

幸运的是，金属板植入物相对较少，特别是与需要医疗干预、牙齿脱落和牙齿修复的更常见的创伤相比。Bomze 概述了一个场景，其中一位牙科患者拔掉了一颗牙齿，可能是由于腐烂，并且该过程需要连同牙齿一起去除牙根。在这种情况下，不可能用牙冠进行进一步修复，因为没有牙根可以安装牙冠。Bomze 说，在这里，存在一个强有力的骨增量案例和一个巨大的市场机会，数以百万计的外科手术正在发生。

那么 Lithoz 高级陶瓷材料如何在上述类似情况下发挥作用呢？Bomze 说，从本质上讲，Lithoz 提供了一种与患者骨骼“化学性质相同的合成材料”。随着时间的推移，植入的 3D 可打印材料或合成骨会溶解并被患者的天然骨材料取代。至关重要的是，Lithoz 可以处理临界尺寸的骨缺损。

Lithoz 自 2017 年以来一直与医生合作，Lithoz 医疗解决方案总监说：“我们期待在未来几年看到更多关于长期结果的讨论和报告。公司有多种骨替代材料可供选择。最新的是 Lithabone HA 480。HA即羟基磷灰石，外科医生和从业者喜欢我们用于支架的 HA 400 材料，但也希望大大提高壁厚、出色的生物相容性和高度的几何形状灵活性。在听取了客户的意见后，Lithoz 开发了 Lithabone HA 480，以拥有“更广阔的应用窗口。其中包括 3D 打印真正大的颅骨替代植入物和软材料可以生长的封闭表面的能力。”

△使用HA480 3D 打印的颅骨植入物。 照片来自 Lithoz。

Bomze 说：“从化学角度讲，HA与骨骼矿物质成分中的物质完全相同。对于最终用户而言，这意味着出色的生物相容性，以及至关重要的骨传导性“这意味着当骨骼长入其中时，它会允许骨骼通过其毛孔生长。在愈合过程中，血管首先会长出痛点，细胞会从这些血管中迁移到实际的植入物上，植入物会逐渐溶解，随着新骨的沉积，最终完全取代植入物。”

△在HA480 中 3D 打印的颧骨种植体。 照片来自Lithoz。

3D 打印陶瓷的实际应用

使用可 3D 打印的可吸收骨替代材料打开了一个充满可能性的世界。Bomze 详细介绍了两个具体示例，突出了医用陶瓷的实用性和优势。其中一个示例是颅骨植入物，例如，它是在病人在切除肿瘤后所必需的补损替代物。植入物的制作重点是要使用一种显示出良好骨传导性能并且可以按照缺损形状（特定于患者）成形并具有相互连接的孔隙网络的材料，以便血管可以在内部发芽，并且骨骼会长入植入物中。此外，严重的脑损伤会因出血、肿瘤或引流受阻而导致脑肿胀。缓解肿胀需要暂时打开颅骨以释放压力。之后，就需要用到植入物来弥补这些人工造成的缺损。

Bomze 强调了 LithaBoneHA 480 的几个优点，包括壁厚大大增加：“它可以达到10-12 毫米，允许更坚固的材料和愈合过程中的稳定性。它还具有出色的生物相容性，这是基本要求，不能有毒或引起炎症。最后，植入物的几何形状还需要具有高度的灵活性，用户不希望局限于一种适应症。”

长骨中关键尺寸缺陷的骨置换是 3D 打印解决反复出现问题的另一个应用。Bomze 解释道：“挑战在于弥合长骨中的临界尺寸缺陷，例如腿部或手臂，这通常是由外伤引起的。自行愈合的严重缺陷可能导致假关节形成。因此，需要骨置换植入物。这里的重点再次放在针对患者的设计和支架的开放式多孔网络上。另一个重要的可能性是定义两个骨骼末端的角度，这对于重建和再次充分发挥作用至关重要。”

3D 打印陶瓷有着光明的未来，还有更多令人兴奋的应用。您可以在此处详细了解Lithoz 如何在3D 打印陶瓷应用方面走在世界前列：https://lithoz.com/en/。

△使用LithaBone HA 480 的尺骨楔形植入物。照片来自 Lithoz。