隨著材料科技的發展，生物材料因其對機體組織進行修復、替代與再生的特殊性能，已經成為當今生物醫學領域重要的研究方向之一。生物硬組織代用材料最早是使用體骨、動物骨，后來發展到采用不銹鋼和塑料，由于不銹鋼存在溶析、腐蝕和疲勞問題，塑料存在穩定性差和強度低的問題。因此造成生物材料發展的瓶頸，生物陶瓷的出現，改善了現有替代材料的不足。3D打印技術與生物陶瓷結合具有 廣闊的發展前 景 。艾邦建有 3D打印陶瓷微信群， 歡迎3D打印陶瓷材料、設備、加工、下游應用等產業鏈上下游企業加入。長按下方二維碼，關注公眾號，通過底部菜單“微信群”即可加入：
一、什么是生物陶瓷材料 生物陶瓷(Bioceramics)是指用作特定的生物或生理功能的一類陶瓷材料，即直接用于人體或與人體直接相關的生物、醫用、生物化學等的陶瓷材料。作為生物陶瓷材料，需要具備如下條件：生物相容性，力學相容性，與生物組織有優異的親和性，抗血栓，滅菌性并具有很好的物理、化學穩定性。生物陶瓷材料可以分為兩大類： 1、生物惰性陶瓷 生物惰性陶瓷通常具有良好的生物相容性與穩定的物理化學性能，植入生物體后不發生反應或產生極小反應。生物惰性陶瓷有氧化鋁、氧化鋯以及醫用碳素材料等。這類陶瓷材料的結構都比較穩定，分子中的鍵合力較強，具有較高的強度、耐磨性及化學穩定性。 ①氧化鋁 氧化鋁(Al2 O3 )是生物惰性陶瓷中具有代表性的。從上世紀七十年代，將 Al2 O3 引入患者骨缺損治療開始，Al2 O3 逐漸廣泛應用在承重人工關節，主要有髖關節、膝關節與指關節，同時還應用在人工骨、種植牙和人工聽小骨上。 生物陶瓷使用的是最為穩定的α-Al2 O3 相，其晶型結構為斜方六面體，在人體內能夠穩定存在，同時不與強酸強堿發生反應，具有高強度、低磨損率與良好的生物相容性。但隨著陶瓷材料自身所具有的脆性和自身裂紋擴展，患者失敗案例也有過報道，因此，氧化鋁陶瓷材料作為種植體的可靠性仍然需要不斷提高。
通過在氧化鋁中添加增韌材料，可明顯改善這一現象。其中氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷被證明具有較好的增韌效果，將氧化鋁的穩定性和氧化鋯的強度相結合，一旦出現裂痕擴散，氧化鋯顆粒會產生氣囊效應，吸收外界應力，板狀晶體抑制裂紋擴展，從而增強強度和韌性。
②氧化鋯 氧化鋯(ZrO2 )是生物陶瓷的另一個代表，可以用于關節處替代物。在機械強度和斷裂韌性方面，氧化鋯陶瓷要比氧化鋁陶瓷更加優異。
氧化鋯具有三種晶型，包括：單斜相、四方相與立方相。在低溫環境下，單斜相是最穩定的。在發生相變的過程中會產生體積變化，亞穩態四方相在轉變為單斜相時，會發生體積增大，這一現象會阻止裂紋進一步擴展。在氧化鋯三種晶型中，四方相具有較好的力學強度，能夠滿足生物陶瓷在力學強度的要求，所以在生物醫學材料領域得到廣泛應用。 到目前，亞穩態氧化鋯由于其優越的韌性特性與力學強度，逐漸成為氧化鋁的代替材料。向氧化鋯中添加氧化釔，能夠形成穩定的四方相或者立方相，阻止其向單斜相的轉變。對于釔穩定氧化鋯生物陶瓷材料，植入患者體內后具有很好的斷裂韌性。氧化鋯骨科植入物的使用可以減少摩擦力和聚乙烯碎屑的出現，并且摩擦性能比氧化鋁更優越。 2、生物活性陶瓷 生物活性陶瓷通常指能夠通過化學鍵的形式和骨組織、軟組織互相結合的陶瓷材料。生物活性陶瓷有生物活性玻璃、羥基磷灰石陶瓷、磷酸三鈣陶瓷等幾種。 ①羥基磷灰石(HA) 羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）組成與天然磷灰石礦物相近，是人體骨骼和牙齒的主要成分，其化學式是 Ca10 (PO4 )(OH)2 ，密度為 3.16 g/cm3。 HA有良好的生物相容性，植入體內不僅安全無毒，還能傳導骨生長，作為骨代替物被用于骨移植。
圖? LithaBone HA 480材料3D 打印骨骼替代物，來源：Lithoz ②磷酸三鈣 磷酸三鈣化學式為?Ca3 (PO4 )2 ，簡寫為 TCP，它有兩種晶型，高溫型的β相和低溫型的α相。β-TCP 在 1120~1290℃會向α-TCP 轉變，α-TCP 在 700~1200℃可以穩定存在，但是降解速率很快，使α-TCP在生物領域的應用受到限制。β-TCP 是一種可以緩慢降解的陶瓷，具有良好的生物相容性并在骨科領域應用廣泛。
β-TCP陶瓷的缺點是機械強度偏低，經不起力的沖擊。將β-TCP與其他材料混合制成雙相或多相陶瓷，是提高其力學強度的方法之一。 ③雙相磷酸鈣 雙相磷酸鈣是 HA和TCP 的混合物，簡寫為 BCP。雙相磷酸鈣作為復合材料，其具有 HA 的高強度、高穩定性及高生物活性。雙相磷酸鈣生物陶瓷在降解速率和成骨性能上比單一鈣磷類陶瓷性能都好。因此，雙相磷酸鈣生物陶瓷受到人們的廣泛關注。 ④生物玻璃陶瓷 生物玻璃陶瓷的主要成分是?CaO-?Na2 O-SiO2 ，比普通窗玻璃含有較多鈣和磷，能與骨自然牢固地發生化學結合。它具有區別于其他生物材料的獨特屬性，能在植入部位迅速發生一系列表面反應，最終導致含碳酸鹽基磷灰石層的形成。生物玻璃陶瓷的生物相容性好，材料植入體內，無排斥、炎性及組織壞死等反應，能與骨形成骨性結合；與骨結合強度大，界面結合能力好，并且成骨較快。目前此種材料已用于修復耳小骨，對恢復聽力具有良好效果。但由于強度低，只能用于人體受力不大的部位。 生物惰性陶瓷與生物活性陶瓷兩者的區別在于是否能夠在骨與陶瓷之間形成一個整體。當生物惰性陶瓷植入患者體內，軟組織會與其發生作用，致新骨內生長與結合。生物活性陶瓷能夠產生新骨，但是與生物惰性陶瓷相比，其力學性能較差。 二、3D打印生物陶瓷的應用 陶瓷材料脆性大，導致其在傳統加工技術中成本高，難以成形復雜型腔。增材制造技術是一種根據三維模型，通過層層堆疊使材料成形的新興制造技術，其優勢在于快速成型、個性定制化生產、一體化成形復雜結構。增材制造技術與生物陶瓷的結合能滿足生物醫療領域個體化治療的需求。 3D打印技術在口腔醫學領域目前主要應用于口腔內牙齒或牙冠修復體、口腔內種植體及口腔內矯正體。運用3D打印生物陶瓷材料原位打印的口腔內模型，能夠避免細菌感染，解決無法完全填充缺損區的問題，而且應用于齒類的支架，精度可以達到微米級。除此之外，植入口腔內的三維模型與口腔內骨骼展現出良好相容性，增強成骨細胞增殖分化，為骨細胞的快速形成提供支撐。 3D打印技術促進組織再生，途徑分為兩種：一是利用3D打印生物支架收集宿主干細胞，在植入人體后，宿主干細胞分化變為成熟細胞，重新填充可降解支架，最終通過沉積形式產生新的細胞外基質；二是生物支架上負載各種細胞因子和化學物質，通過釋放來促進宿主細胞的增殖分化。目前應用最廣泛的組織再生工程包括：組織氣管再生、神經組織修復、皮膚表皮組織修復、各器官組織修復等，展現出良好的臨床表現。 目前3D打印在骨骼修復方面的研究最為深入，取得成果也最為顯著。3D打印的生物陶瓷以具有良好的生物力學性能和生物相容性的優勢，在骨修復、骨骼生長等多方面發揮巨大作用。為骨科手術輔助材料進行3D打印，有利于通過打印模型觀察形變骨骼形態結構及異常生長狀況，為制定手術方案提供參考。
圖 3D打印GO/HA復合生物陶瓷支架用于大塊骨缺損修復，來源：《Additive manufacturing of graphene oxide/hydroxyapatite bioceramic scaffolds with reinforced osteoinductivity based on digital light processing technology》，來慶國等. 3D打印的生物陶瓷材料作為植入體內的藥物緩釋載體，通過控制表面微觀結構和材料屬性，使載體以不同程度的降解速度實現持續高效給藥，而且改變了傳統口服緩釋片劑無法直接對病源給藥的問題。除此之外，3D打印的藥物緩釋載體在維持體內藥物濃度平衡，避免全身用藥導致的藥物毒性起到關鍵作用。 可用于制備生物陶瓷材料的增材制造技術主要有：立體光固化成形技術(上拉式/下沉式)、材料擠出技術和粘結劑噴射技術。 艾邦建有 3D打印陶瓷微信群， 歡迎3D打印陶瓷材料、設備、加工、下游應用等產業鏈上下游企業加入。長按下方二維碼，關注公眾號，通過底部菜單“微信群”即可加入：
The Ceramic 3D Printing Industry Forum 2024年6月21日
深圳·深圳觀瀾格蘭云天國際酒店
主辦單位：艾邦智造
媒體支持：陶瓷科技視野、艾邦陶瓷展、南極熊3D打印網
序號
暫定議題
1
3D 打印陶瓷的應用及產業化發展
2
陶瓷?3D 打印技術及材料研究進展
3
陶瓷?3D 打印的全新方法
4
陶瓷激光增材制造技術研究進展
5
醫療領域的 3D?打印陶瓷解決方案
6
碳化硅陶瓷 3D? 打印研究進展
7
氮化硅陶瓷?3D 打印技術與應用
8
3D 打印氧化鋯陶瓷及其應用
9
氧化鋁陶瓷增材制造工藝研究進展
10
多材料高精度陶瓷?3D 打印技術的開發及應用
11
3D 打印陶瓷的脫脂與燒結工藝技術
12
3D 打印非氧化物陶瓷材料的設計與制備
13
氧化鋁陶瓷光固化漿料的制備
14
增材制造專用高質量陶瓷粉末及制備技術
15
3D 打印多孔陶瓷技術的研究及應用
16
3D 打印高分辨率陶瓷電路基板
17
光固化 3D 打印陶瓷技術及光敏樹脂體系研究
18
黏結劑噴射 3D 打印陶瓷關鍵技術
19
增材制造壓電陶瓷的研究進展
20
3D 打印陶瓷部件測試方案
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