生物陶瓷材料与3D打印技术

一、什么是生物陶瓷材料

生物陶瓷是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料，即直接用于人体或与人体直接相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。作为生物陶瓷材料，需要具备如下条件：生物相容性，力学相容性，与生物组织有优异的亲和性，抗血栓，灭菌性并具有很好的物理、化学稳定性。生物陶瓷材料可以分为两大类：

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与稳定的物理化学性能，植入生物体后不发生反应或产生极小反应。生物惰性陶瓷有氧化铝、氧化锆以及医用碳素材料等。这类陶瓷材料的结构都比较稳定，分子中的键合力较强，具有较高的强度、耐磨性及化学稳定性。

①氧化铝
氧化铝(Al2O3)是生物惰性陶瓷中具有代表性的。从上世纪七十年代，将 Al2O3引入患者骨缺损治疗开始，Al2O3逐渐广泛应用在承重人工关节，主要有髋关节、膝关节与指关节，同时还应用在人工骨、种植牙和人工听小骨上。

生物陶瓷使用的是最为稳定的α-Al2O3相，其晶型结构为斜方六面体，在人体内能够稳定存在，同时不与强酸强碱发生反应，具有高强度、低磨损率与良好的生物相容性。但随着陶瓷材料自身所具有的脆性和自身裂纹扩展，患者失败案例也有过报道，因此，氧化铝陶瓷材料作为种植体的可靠性仍然需要不断提高。
通过在氧化铝中添加增韧材料，可明显改善这一现象。其中氧化锆增韧氧化铝陶瓷被证明具有较好的增韧效果，将氧化铝的稳定性和氧化锆的强度相结合，一旦出现裂痕扩散，氧化锆颗粒会产生气囊效应，吸收外界应力，板状晶体抑制裂纹扩展，从而增强强度和韧性。
②氧化锆
氧化锆(ZrO2)是生物陶瓷的另一个代表，可以用于关节处替代物。在机械强度和断裂韧性方面，氧化锆陶瓷要比氧化铝陶瓷更加优异。
氧化锆具有三种晶型，包括：单斜相、四方相与立方相。在低温环境下，单斜相是最稳定的。在发生相变的过程中会产生体积变化，亚稳态四方相在转变为单斜相时，会发生体积增大，这一现象会阻止裂纹进一步扩展。在氧化锆三种晶型中，四方相具有较好的力学强度，能够满足生物陶瓷在力学强度的要求，所以在生物医学材料领域得到广泛应用。

到目前，亚稳态氧化锆由于其优越的韧性特性与力学强度，逐渐成为氧化铝的代替材料。向氧化锆中添加氧化钇，能够形成稳定的四方相或者立方相，阻止其向单斜相的转变。对于钇稳定氧化锆生物陶瓷材料，植入患者体内后具有很好的断裂韧性。氧化锆骨科植入物的使用可以减少摩擦力和聚乙烯碎屑的出现，并且摩擦性能比氧化铝更优越。

2、生物活性陶瓷

生物活性陶瓷通常指能够通过化学键的形式和骨组织、软组织互相结合的陶瓷材料。生物活性陶瓷有生物活性玻璃、羟基磷灰石陶瓷、磷酸三钙陶瓷等几种。

①羟基磷灰石(HA)
羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）组成与天然磷灰石矿物相近，是人体骨骼和牙齿的主要成分，其化学式是 Ca10(PO4)(OH)2，密度为 3.16 g/cm3。 HA有良好的生物相容性，植入体内不仅安全无毒，还能传导骨生长，作为骨代替物被用于骨移植。
②磷酸三钙
磷酸三钙化学式为 Ca3(PO4)2，简写为 TCP，它有两种晶型，高温型的β相和低温型的α相。β-TCP 在 1120~1290℃会向α-TCP 转变，α-TCP 在 700~1200℃可以稳定存在，但是降解速率很快，使α-TCP在生物领域的应用受到限制。β-TCP 是一种可以缓慢降解的陶瓷，具有良好的生物相容性并在骨科领域应用广泛。
β-TCP陶瓷的缺点是机械强度偏低，经不起力的冲击。将β-TCP与其他材料混合制成双相或多相陶瓷，是提高其力学强度的方法之一。

③双相磷酸钙
双相磷酸钙是 HA和TCP 的混合物，简写为 BCP。双相磷酸钙作为复合材料，其具有 HA 的高强度、高稳定性及高生物活性。双相磷酸钙生物陶瓷在降解速率和成骨性能上比单一钙磷类陶瓷性能都好。因此，双相磷酸钙生物陶瓷受到人们的广泛关注。

④生物玻璃陶瓷
生物玻璃陶瓷的主要成分是 CaO- Na2O-SiO2，比普通窗玻璃含有较多钙和磷，能与骨自然牢固地发生化学结合。它具有区别于其他生物材料的独特属性，能在植入部位迅速发生一系列表面反应，最终导致含碳酸盐基磷灰石层的形成。生物玻璃陶瓷的生物相容性好，材料植入体内，无排斥、炎性及组织坏死等反应，能与骨形成骨性结合；与骨结合强度大，界面结合能力好，并且成骨较快。目前此种材料已用于修复耳小骨，对恢复听力具有良好效果。但由于强度低，只能用于人体受力不大的部位。

生物惰性陶瓷与生物活性陶瓷两者的区别在于是否能够在骨与陶瓷之间形成一个整体。当生物惰性陶瓷植入患者体内，软组织会与其发生作用，致新骨内生长与结合。生物活性陶瓷能够产生新骨，但是与生物惰性陶瓷相比，其力学性能较差。

二、3D打印生物陶瓷的应用

陶瓷材料脆性大，导致其在传统加工技术中成本高，难以成形复杂型腔。增材制造技术是一种根据三维模型，通过层层堆叠使材料成形的新兴制造技术，其优势在于快速成型、个性定制化生产、一体化成形复杂结构。增材制造技术与生物陶瓷的结合能满足生物医疗领域个体化治疗的需求。

1、口腔医学
3D打印技术在口腔医学领域目前主要应用于口腔内牙齿或牙冠修复体、口腔内种植体及口腔内矫正体。运用3D打印生物陶瓷材料原位打印的口腔内模型，能够避免细菌感染，解决无法完全填充缺损区的问题，而且应用于齿类的支架，精度可以达到微米级。除此之外，植入口腔内的三维模型与口腔内骨骼展现出良好相容性，增强成骨细胞增殖分化，为骨细胞的快速形成提供支撑。

2、组织再生
3D打印技术促进组织再生，途径分为两种：一是利用3D打印生物支架收集宿主干细胞，在植入人体后，宿主干细胞分化变为成熟细胞，重新填充可降解支架，最终通过沉积形式产生新的细胞外基质；二是生物支架上负载各种细胞因子和化学物质，通过释放来促进宿主细胞的增殖分化。目前应用最广泛的组织再生工程包括：组织气管再生、神经组织修复、皮肤表皮组织修复、各器官组织修复等，展现出良好的临床表现。

3、骨修复
目前3D打印在骨骼修复方面的研究最为深入，取得成果也最为显著。3D打印的生物陶瓷以具有良好的生物力学性能和生物相容性的优势，在骨修复、骨骼生长等多方面发挥巨大作用。为骨科手术辅助材料进行3D打印，有利于通过打印模型观察形变骨骼形态结构及异常生长状况，为制定手术方案提供参考。
4、药物缓释载体
3D打印的生物陶瓷材料作为植入体内的药物缓释载体，通过控制表面微观结构和材料属性，使载体以不同程度的降解速度实现持续高效给药，而且改变了传统口服缓释片剂无法直接对病源给药的问题。除此之外，3D打印的药物缓释载体在维持体内药物浓度平衡，避免全身用药导致的药物毒性起到关键作用。