金属与陶瓷3D打印：骨科发展的推动力

公司主管Naomi Murray介绍到，3D打印的设计自由和概念快速发展两大特点，是他们追求增材制造技术主要原因。3D打印的设计自由使得许多复杂形状的设计和产品可以实现，这是传统的减材制造不可能实现的。另外，3D打印可以实现概念快速发展，即原型产品可以迅速测试、迭代并获得最终产品。借助这两大优势，史赛克公司获得了许多颠覆性创新成果，尤其是在多孔结构金属种植体的增材制造方面。与致密材料相比，多孔结构可以为骨组织的生长提供空间，促进种植体和骨组织的生物结合，然而使用传统的加工手段很难制备出理想的多孔结构。经过对多孔结构增材制造技术的十五年潜心研究，史赛克公司成为了全球3D打印多孔种植体的领头羊。

▲打印制备的金属多孔种植体

该案例直接说明了3D打印技术在骨科医学中的重要性，同时也侧面反映了3D技术在推动技术创新中起到的关键作用。目前3D打印种植体多以生物医用金属材料为主（钛及钛合金、316L不锈钢、和钴基合金等）。生物医用陶瓷材料（羟基磷灰石、磷酸三钙、氧化锆等）与金属材料相比，具有更加优异的生物相容性，是骨科硬组织替换和修复更理想的材料。然而由于其难加工、难成形、韧性较差等特点，陶瓷材料在骨科中应用大大受限。而3D打印技术则恰恰可以解决以上问题，从而大大推动生物陶瓷材料在骨科的应用。

山东中科先进技术研究院与青岛博瑞科合作成立的，微纳米3D打印与智能制造工程中心，不仅具有基于选区激光熔化技术（SLM）的金属3D打印机可以用于常规生物医用金属材料的3D打印，另有基于光固化的陶瓷3D打印机（Lithography-Based Ceramics Manufacturing，LCM）可以实现具有复杂结构（多孔结构、功能性梯度结构）生物医用陶瓷器件的3D打印，如图2所示为程中心联合骨科医院研发的使用氧化锆/羟基磷灰石复合材料椎间融合器。LCM 3D打印技术甚至可根据病患需求实现金属和陶瓷的复合打印，实现骨科器件结构-功能一体化设计。除3D打印设备外，工程中心同时具备3D-DIC全场形变表征可以对复杂形状构件在多场耦合条件下下进行力学行为非接触表征，提供构件在模拟真实服役条件下的全场应变信息，从而进一步指导构件设计，加速产品迭代。

▲工程中心联合骨科医院研发的使用氧化锆/羟基磷灰石复合材料椎间融合器

◀使用3D-DIC技术对牙科种植体与牙床在模拟咬合力下的力学行为测试案

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