龔家寶，曹又夫，劉 燕，唐 璐，董志紅

(1.成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 四川 成都 610106;2.成都大學(xué) 附屬醫(yī)院，四川 成都 610081)

0 引 言

陶瓷由于其各種優(yōu)異的性能，如高機(jī)械強(qiáng)度和硬度，良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性以及良好的熱、光、電和磁性能等，而被廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)械、電子、航空航天和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域.傳統(tǒng)的陶瓷通常由粉末與黏合劑或其他添加劑的混合物，使用常規(guī)技術(shù)，例如注射成型、模壓、流延與凝膠鑄造等，加工成形，為了實現(xiàn)致密化，還需要在更高溫度下燒結(jié)生坯[1].然而，這些陶瓷成型技術(shù)由于加工時間長、成本高而受到限制.而對于復(fù)雜的陶瓷，尤其是用于人體硬組織修復(fù)的生物陶瓷，如修復(fù)的牙齒、骨等，其幾何形狀復(fù)雜和內(nèi)部孔徑之間的相互貫通等[2]，導(dǎo)致其加工難度較大，這就為材料的加工提出了巨大的挑戰(zhàn).

隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，該技術(shù)為生物醫(yī)用陶瓷材料的精加工提供了較好的技術(shù)手段.它設(shè)計靈活，可打印結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜、精密的三維尺寸，且可以同時一次性構(gòu)建多個打印對象，顯著地提高了生產(chǎn)效率.最早的陶瓷3D打印技術(shù)于20世紀(jì)90年代開發(fā)實現(xiàn)[3]，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和生物醫(yī)用陶瓷的需求量增大，個性化的設(shè)計和加工也通過3D打印技術(shù)得以實現(xiàn)[4].進(jìn)一步結(jié)合X光影像學(xué)技術(shù)，類似于人工骨盆等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，都可以通過3D打印技術(shù)完成.而3D打印技術(shù)已從最初的熔融沉積制造、噴墨打印技術(shù)制備陶瓷生坯再燒結(jié)，發(fā)展到現(xiàn)在的激光燒結(jié)一體化、光固化成型新技術(shù).生物陶瓷的3D打印正逐漸衍生出更精準(zhǔn)、更快速便捷的加工技術(shù).

本研究主要介紹人體常用生物陶瓷中具有代表性的幾種：其一，生物惰性陶瓷中的氧化鋯、氧化鋁與二氧化鈦；其二，生物活性陶瓷中的磷酸三鈣、羥基磷灰石與硅酸鈣.該類生物陶瓷具有特定的生物或理化功能，較好的生物相容性、骨誘導(dǎo)性與耐腐蝕性，以及較好的力學(xué)特性，不與周圍的組織產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng)等特點，而被廣泛應(yīng)用于人體硬組織修復(fù).綜述了通過3D打印技術(shù)精加工獲得優(yōu)異的支架材料，以便更好地了解各類生物陶瓷在種植體或骨替代方面的應(yīng)用研究及試驗改進(jìn).

1 生物陶瓷材料

1.1 氧化鋯陶瓷

氧化鋯(ZrO2)陶瓷具有高的熔點和沸點，耐腐蝕，力學(xué)性能優(yōu)異，抗壓強(qiáng)度高達(dá)2 000 MPa，可以抵抗不同的微環(huán)境.在組織工程上，表現(xiàn)出較好的生物相容性和美學(xué)特性，在牙齒種植與修復(fù)上發(fā)揮著重要的作用[5-7].例如，在個性化的人工假牙制備上，與傳統(tǒng)燒結(jié)、澆鑄成型工藝不同，通過X光掃描并繪制結(jié)構(gòu)后，采用3D噴墨打印成型技術(shù)，將ZrO2陶瓷粉和其他輔料復(fù)合，制備固相體積為55%的水基懸浮液[8]，然后進(jìn)行噴墨打印制備牙坯體，再進(jìn)行燒結(jié)，結(jié)果如圖1所示.采用該技術(shù)獲得的牙齒硬度值為14.4±0.1GPa，橫向斷裂強(qiáng)度為520±20 MPa.此外，還可以通過光固化3D打印技術(shù)，獲得ZrO2陶瓷牙，即將單體光聚合混合物、陶瓷粉和穩(wěn)定劑(3mol%Y2O3)配成體積濃度為50%的漿料，采用激光照射技術(shù)，進(jìn)行逐層打印、固化，形成生坯，最后進(jìn)行脫脂燒結(jié).結(jié)果表明，其承載力超過了臨床上預(yù)期的正常咬合力陶瓷牙[9].

圖1 ZrO2陶瓷牙的3D噴墨打印

1.2 氧化鋁陶瓷

氧化鋁(Al2O3)陶瓷也是一類生物惰性陶瓷，不但具有好的生物相容性，還耐高溫，機(jī)械強(qiáng)度高，韌性好，抗磨性高，可直接和人體骨固定，臨床上常被用來制備人工骨、牙根及關(guān)節(jié)等[10-12].該種材料在進(jìn)行3D打印加工時，將粉體和有機(jī)物按比例混合后，制成絲材，通過熔融沉積逐層制備多孔的Al2O3陶瓷坯，再通過脫脂、燒結(jié)制備多孔的骨支架材料.在Al2O3多孔支架的空隙內(nèi)，也可以將生物活性玻璃通過加熱的形式，進(jìn)行滲透熔融填充，可獲得機(jī)械性能良好的人工牙[13](見圖2).研究表明，該種技術(shù)方法不但可以獲得骨支架多孔材料，也可以獲得致密的人工牙齒，既方便快捷又節(jié)約成本.

圖2 牙冠成型過程圖

1.3 二氧化鈦陶瓷

研究發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦(TiO2)陶瓷在骨修復(fù)以及抗腫瘤治療等領(lǐng)域逐漸表現(xiàn)出自身的優(yōu)勢，它不但生物學(xué)特性好，而且無過敏及免疫原反應(yīng)[14-17].但是在利用其制備多孔支架時，往往孔徑結(jié)構(gòu)很難控制，且大多采用常規(guī)的發(fā)泡法制備.而采用3D打印技術(shù)，可以調(diào)控孔徑結(jié)構(gòu)及連通性，通過溶膠—凝膠技術(shù)[18]將制備的材料連續(xù)擠出成絲，精準(zhǔn)地制備支架，該技術(shù)精準(zhǔn)性可控且更易操控，1 200℃燒結(jié)后可獲得結(jié)晶良好的金紅石型TiO2，細(xì)絲直徑可達(dá)到33 μm(見圖3)，絲間距可調(diào)，多孔的微結(jié)構(gòu)更加利于細(xì)胞的攀附生長，并且TiO2陶瓷具有抗菌性，是人工骨替代的最佳選擇.

圖3 TiO2支架結(jié)構(gòu)圖

1.4 磷酸三鈣陶瓷

磷酸三鈣(TCP)又稱為磷酸鈣，其主要有α-TCP和β-TCP 2種形式[19].目前的研究大多選用β-TCP，因為α-TCP的溶解度過大，將其植入人體后降解速度過快，不能達(dá)到替代人體硬組織的條件，無法發(fā)揮人工骨的作用.而β-TCP因其具有良好的生物降解性、生物相容性、骨傳導(dǎo)性及生物無毒性等優(yōu)點而被廣泛地應(yīng)用在骨組織的修復(fù)和替代等方面[20].例如，Zhang等[21]采用溶膠—凝膠3D打印技術(shù)成功制備了多孔β-TCP生物陶瓷支架，其孔隙率約為58.05%，非常適合細(xì)胞的生長，加速骨組織的再生.而為了提高β-TCP的力學(xué)性能;Zhao[22]等通過加入鋰元素，通過3D打印技術(shù)提高其力學(xué)強(qiáng)度，結(jié)果表明，比單獨的β-TCP材料力學(xué)強(qiáng)度提高了3倍，且鋰的加入提高了細(xì)胞的增殖和分化.

研究表明，β-TCP在治療肌肉骨骼疾病中的作用越來越重要，通過加入氧化鎂/氧化鋅，調(diào)控其材料的比例，控制β-TCP的降解速率，再通過3D打印技術(shù)設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)，如致密的芯和多孔的表面，最終樣品的抗壓強(qiáng)度提高了53%[23](見圖4)，這在骨科和牙科領(lǐng)域都具有較好的應(yīng)用前景.

圖4 3D打印MgO/ZnO-TCP支架結(jié)構(gòu)圖

1.5 羥基磷灰石陶瓷

羥基磷灰石(HA)，分子式為Ca10(PO4)6(OH)2，是骨和牙齒中的主要成分之一，純的HA和牙釉質(zhì)中的無機(jī)相成分以及晶格參數(shù)略有差異，人體硬組織中的HA并非化學(xué)計量的，這是因為有部分的Cl、F、Na離子進(jìn)入晶格內(nèi)所導(dǎo)致.因此，HA在硬組織修復(fù)上一直以來被臨床上使用.通過光刻3D打印技術(shù)，可形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維HA支架材料[24]；也可以通過凝膠打印技術(shù)(見圖5)，制備HA骨組織支架[25].研究結(jié)果顯示，支架的內(nèi)外均有孔隙，雙重孔隙率約為52.26%，支架的抗壓強(qiáng)度和壓縮模量分別為16.77±0.38 MPa和492±11 MPa，分別高于人體松質(zhì)骨的抗壓強(qiáng)度(約1.9～7 MPa)和壓縮模量(約170-193 MPa). 基于HA在人體環(huán)境下的穩(wěn)定性，往往在金屬的表面涂覆一層 HA，以此來提高其支架的生物相容性[26].但是陶瓷材料都具有較高的脆性，因此聚乳酸(PLA)和HA復(fù)合，可獲得較好的支架材料，通過熔融沉積3D打印技術(shù)，可制備出孔徑為450 μm，總孔隙率為48%，尺寸為3 cm×3 cm× 1.6 mm的PLA/HA復(fù)合骨支架[27](見圖6).該類支架材料價格較低，且有效快速地治療骨缺損.

圖5 3D打印HA的多孔支架圖

圖6 PLA/HA支架SEM圖像

1.6 硅酸鈣陶瓷

硅酸鈣(CS)是鈣硅基生物陶瓷中一類應(yīng)用廣泛的生物陶瓷材料，它不但具有生物學(xué)特性，還具有骨傳導(dǎo)性和仿生礦化能力[28].尤其是介孔CS，具有更高的比表面積和生物活性，可加速類骨磷灰石的生成.研究發(fā)現(xiàn)，通過3D打印技術(shù)，構(gòu)建復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，將聚己內(nèi)酯(PCL)和介孔CS復(fù)合，通過施加壓力，采用針管注射形式，擠出纖維，分層打印，這樣的支架大孔中分布著小孔(見圖7)，作為種植體的三維互聯(lián)結(jié)構(gòu)可以支持細(xì)胞的穿透，新組織的生長和血管化，該種復(fù)合陶瓷支架的抗壓強(qiáng)度和孔隙率分別為5MPa和70%.此表明，其可以達(dá)到作為良好植入骨的力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)，在骨再生方面的應(yīng)用具有巨大的潛力.

圖7 MCS/PCL支架SEM圖像

2 總結(jié)及展望

本研究主要介紹了幾種常規(guī)的生物醫(yī)用陶瓷材料在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用.無論是熔融式、光固化式、溶膠—凝膠式以及噴墨式等3D打印成型技術(shù),與傳統(tǒng)的陶瓷成型相比，3D打印技術(shù)具有制造精度高、設(shè)計靈活并可制造復(fù)雜形狀部件，效率高，無需模具以及節(jié)約原材料等許多優(yōu)點.同時，通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計和改進(jìn)，可大大提高支架材料的力學(xué)性能及微環(huán)境下的組織再生，這在硬組織的修復(fù)中，是非常重要的性能指標(biāo).但是，3D打印的批量化生產(chǎn)還需要在設(shè)備上進(jìn)行改進(jìn)和提高，這樣，才能進(jìn)一步滿足臨床上更大的需求.

隨著3D打印設(shè)備的不斷開發(fā)與進(jìn)步，結(jié)合數(shù)字化、生物醫(yī)學(xué)工程和醫(yī)學(xué)影像等多學(xué)科知識的融合和交叉，未來3D打印技術(shù)不僅可以定制個性化的生物陶瓷產(chǎn)品，而且還可以通過活體細(xì)胞打印組織和器官，獲得活體組織，直接移植給病人.有理由相信，3D打印技術(shù)必將成為醫(yī)療市場發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一.