在重建手术中,包括磷酸三钙和氧化锆在内的3D打印生物陶瓷已被用来替代和稳定人体骨骼。现在,3D打印为这些医疗设备带来了定制和新的设计机会。


3D打印的陶瓷既可以作为骨移植物,也可以作为支撑物


3D打印陶瓷可以替代骨移植和支撑结构。Lithoz的这一概念验证示例实际上将两者与内部可生物吸收的骨支架和坚固的外部保持架结合在一起,以实现稳定性。


当重建手术需要骨移植时,当前的金标准是从患者体内获取骨组织。这种自体移植物具有成功替换因外伤或疾病而受损的骨头并导致完全康复的良好机会。然而,大多数经历过这种手术的患者都说他们不会再这样做了。


为什么不?骨移植物的采集是侵入性的,需要大面积的提取物-在大多数情况下,移植物取自髋部或腓骨。骨组织通常是在单独的程序中收集的,这意味着要进行两次手术,增加患者的痛苦,并使并发症风险加倍。另外,由于必须用手包装和整形移植物,因此主要外科手术可能很长。从患者的角度来看,即使是成功的骨移植手术也不是一件容易的事。


自体骨移植的替代方法包括尸体和牛源,但最有前途的选择可能是人造骨。诸如磷酸三钙(TCP)之类的生物陶瓷正在逐渐普及,这些材料的3D打印技术的发展为将来的植入物指明了方向,这些植入物可以根据每个人的解剖结构进行定制,同时消除了二次手术,从而减少了在手术室和手术室所花费的时间。带来更好的患者体验。


如何进行3D打印陶瓷


Lithoz是一家目前正在探索3D打印人造骨领域的公司,该公司是奥地利3D打印机和材料的开发商。该公司基于光刻的陶瓷制造(LCM)技术和CeraFab 3D打印机已应用于一系列陶瓷,包括TCP以及氧化镁,瓷器和氧化锆(稍后会详细介绍)。


3D打印的陶瓷既可以作为骨移植物,也可以作为支撑物


Lithoz的CeraFab 3D打印机由粉末状陶瓷和光敏树脂浆料制成零件。基于光刻的陶瓷制造工艺可通过投射光使树脂固化,从而产生绿色部件。聚合物随后通过烧结过程被烧尽。图片:Lithoz


LCM工艺是一种数字光处理(DLP)3D打印技术,该技术使用光将填充有第二种粉末材料的聚合物树脂浆料选择性地固化为初始生坯。


“生坯是由聚合的光敏树脂和散布的陶瓷颗粒组成的复合材料,” Lithoz医疗业务部门负责人Daniel Bomze解释说。清除生坯中多余的浆料后,将其放入炉中以烧掉光树脂粘合剂,并获得其最终的陶瓷件性能。“烧结过程确保了我们最终具有经典的陶瓷性能-例如,高硬度,高强度和耐磨性以及光滑的表面,” Bomze说。


但是对于骨移植物的替换,TCP之类的材料具有不同的用途。该材料的优势是其生物相容性和可吸收性,而不是强度和硬度。TCP与天然骨骼中的无机成分相似,可以用作临时解决方案以促进患者自身骨骼组织的再生。随着这种再生的发生,TCP植入物最终将溶解到患者体内,从而完成愈合过程。


3D打印的陶瓷既可以作为骨移植物,也可以作为支撑物


这种由磷酸三钙制成的骨支架说明了3D打印的一个优点:能够创建类似支架的结构,从而促进骨骼向内生长。因为TCP是可吸收的,所以这样的植入物将是临时的,并逐渐由患者自己的骨组织代替。照片:Lithoz


粉末状TCP用于常规手术,将其与患者自己的血液混合成糊状,然后用手将其涂在受伤部位。但是将材料3D打印成固态的能力提供了新的好处。根据来自CT扫描或MRI的3D数据,可以将植入物制作成所需的正确尺寸和形状。这意味着减少了外科医生的工作量并减少了手术室的时间。3D打印还可以整合设计特征,以促进和促进骨骼向内生长,例如为天然骨骼提供锚固的晶格和表面粗糙度。尽管TCP晶格结构并不是要长期耐用,但它们可以提供足够的稳定性,以允许身体的脆弱区域(例如颊骨或眼窝)自行愈合。


取代松质骨和皮质骨


但是,对于许多外科手术来说,3D打印替代骨移植只能解决部分问题。人体骨骼由形成坚硬外部的皮质组织和内部的海绵状松质骨组成。TCP仅可替代松质骨。对于下颌等区域,也有必要更换或增大皮质骨。


从历史上讲,这意味着要使用由钛和PEEK等材料制成的植入物,以提供刚度和强度。但是3D打印的陶瓷现在提供了另一种解决方案,该解决方案可以与人工打印的骨骼置换结合使用。


Lithoz的研究人员已经开发出了用于颌骨重建的概念验证解决方案,一种结合了可吸收TCP植骨替代物的下颌笼植入物和由另一种生物陶瓷制成的刚性外笼:氧化锆。混合解决方案由三部分组成,氧化锆笼和两个可插入笼的几何形状的TCP插件。所得的植入物将提供帮助患者的颌骨愈合所需的稳定性和骨骼向内生长。氧化锆笼子可以永久保持在原位,而TCP内部会随着时间的推移而溶解。


3D打印的陶瓷既可以作为骨移植物,也可以作为支撑物


颌骨植入物的例子是一种双材料植入物,其结合了用于稳定的氧化锆笼和磷酸三钙骨移植物插入物。不同的材料分别印刷,然后组装在一起。照片:Lithoz


“通过结合非常高强度,非常坚硬的材料以在愈合阶段提供适当的稳定性,在这种情况下为氧化锆笼,并通过可生物吸收的材料帮助人体形成新的健康骨骼,在这种情况下,磷酸三钙将我们结合在一起来自两个世界的最佳解决方案。” Bomze说。


为什么不完整地打印装配体?两种原料的烧结过程不同,如果将它们一起烧结,则要保证质量会更加困难,Bomze说。烧结时生陶瓷零件的收缩率可能在25到25之间。和30%,并且取决于每种材料。目前,通过分别构建两个部分并将它们组合在一起可以达到最佳效果。


定制的3D打印陶瓷植入物


Lithoz的双材料植入物尚未治疗任何患者。但是,TCP和氧化锆已被安全地用于其他种类的植入物,并且至少有一项正在进行的研究在迄今为止的非承重情况下仅使用3D打印TCP植入物进行了研究。


但是LCM和双材料植入物的真正前景是能够根据患者自身的解剖结构对其进行自定义。未来,Lithoz希望为医疗制造商和与之合作的外科医生提供设备,使其能够使用CT扫描或MRI数据准确地构建所需的氧化锆笼子以及恰好适合其内部的TCP晶格。


“我们想让人们考虑各种可能性……”


“ [外科医生]甚至可以为同一位患者制作多个植入物,因此他可以确定,如果他必须切除更多的癌骨,那么他仍然拥有完美的植入物,” Bomze说:“确保完美贴合的能力“还可以大大减少手术室中的时间,这对患者是有益的,同时也有助于降低成本。”


即使从未在患者中使用这种真正的下颌构造,Bomze和他的研究人员也认为这是有效的案例研究。


他说:“我们希望让人们思考LCM技术带来的可能性,以及他们目前基于光刻的陶瓷制造所无法解决的问题的解决方案。”



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