陶瓷是千年窯火淬出的傳統工業,3D打印則是一項改變人類思維的全新技術,近些年來,“3D打印”技術不斷被人們熟悉并應用,并成為科技界較火熱的技術名詞。“3D打印”歷經三十余年發展,從熔融擠壓FFF技術,到激光固化技術,再到多射流熔融(MJF)技術。這些技術已經在各個行業中發揮著巨大的作用。當“3D打印”與“陶瓷”兩者碰撞在一起,究竟會產生什么樣的火花我們還不得而知,但兩者的融合正悄然帶來一場變革。
材料技術的發展深深促進了3D打印技術的發展。陶瓷材料是一種傳統的無機材料,精美實用,已經有幾千年的歷史。硬而脆的特點使陶瓷材料加工成形尤其困難,傳統陶瓷制作工藝只能制造簡單三維形狀的產品,而且成本高、周期長。技術的發展使復雜陶瓷產品制作成為可能,3D打印技術所具有的操作簡單、速度快、精度高等優點給陶瓷注入了新的活力。
起初,3D打印技術在陶瓷領域的應用主要是模型的制作,利用3D打印的模具再翻模成型,制成精美的陶瓷產品。但隨后,3D打印逐漸能夠完成真實陶瓷產品的制作。近些年,國內外很多公司或科研團體在從事傳統陶瓷的3D打印技術研究,取得了眾多突破性進展。奧地利的Lithoz公司開發了基于光刻的陶瓷制造技術(LCM),2016年,Lithoz公司與蘇黎世醫科大學合作研究,打印用于治療骨腫瘤的可降解的TCP支架,并進行植入實驗,動物體內的支架在植入10天后被結締組織包裹住,沒有炎癥發生。
國內某醫院利用可降解的支架為鼻竇炎手術后的恢復提供了有力“支撐”。
可降解支架用于鼻竇炎手術后的恢復
三維打印有限公司2017年發布了基于SLA技術的陶瓷3D。2018年,博力邁三維打印科技有限公司與北京大學口腔醫院合作,承擔了國家重點研發計劃“口腔修復體3D打印應用研究與臨床示范”項目。借助SLA技術開發的最新型CSL-100能夠打印高精確度、高密度、高強度的陶瓷,材質包括氧化鋁、等,成為陶瓷3D打印的領導者。
陶瓷材料應用范圍非常廣泛,包含工業、醫療、民用等各個行業。醫學領域中應用的陶瓷材料包括生物惰性陶瓷(如氧化鋁、氧化鋯、氮化硅等)和生物活性陶瓷(如磷酸三鈣、羥基磷灰石等)。氧化鋁、氧化鋯和氮化硅陶瓷材料不會發生降解,具有較高的耐磨性和生物相容性,可被用于制作使用時間較長的植入性醫療器械,如人工股骨頭、髖臼杯內襯、等。國外研究人員已利用高純度氧化鋁,通過3D打印技術制作出心臟起搏泵。
義齒所使用的陶瓷材料通常是氧化鋯,經過對患者牙模的數字化掃描與建模、三維設計、3D打印、脫脂燒結、上釉等工藝加工而成。這種氧化鋯義齒的尺寸精度和通透性都較高。博力邁三維打印科技有限公司利用陶瓷3D打印技術制作出氧化鋯陶瓷義齒和全冠,產品在2017年通過我國藥品監管部門的機械性能和生物學檢驗,獲得上市許可,同年,首個氧化鋯陶瓷義齒裝入病人口內。
采用德國ATOS光學掃描儀,對打印并脫脂燒結的氧化鋯陶瓷牙冠與設計牙冠比對表明,其關鍵內腔形貌尺寸誤差小于41微米,合乎要求。 CSL-100型陶瓷3D打印機加工的義齒
磷酸三鈣和羥基磷灰石的化學組成和骨骼成分相近,具有良好的生物相容性、骨誘導性、骨傳導性、可降解性等性能。典型的應用是制造骨修復支架。通過在愈合過程中材料的降解,可以向細胞提供必要的離子,并為細胞向內生長創造空間。陶瓷3D打印技術的應用,解決了醫療領域個性化產品加工困難的問題。
但無論是生物惰性陶瓷還是生物活性陶瓷,對于小批量、個性化的醫療產品來說,3D打印無疑是最佳方案,未來,陶瓷3D打印領域將有更多新工藝和新材料被應用到醫療領域中來,給患者帶來新的治療選擇。
陶瓷3D打印技術的應用,開拓了陶瓷3D打印技術應用于個性化醫療領域的新篇章。