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点云生物创始人曾庆丰受邀开讲“陶瓷3D打印在医疗领域的应用”

发布时间:2017-7-7 15:03:15阅读次数:
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【摘要】

8月2日晚,火石百家邀请了点云生物创始人曾庆丰博士,为大家分享了"陶瓷3D打印在医疗领域的应用"。3D陶瓷打印这一前沿领域充满了各种技术难题和政策难关,点云生物却迎难而上,研发出了独特的无丝打印技术、生物陶瓷打印机、生物打印墨水等等。在本次演讲中,曾博士回顾了点云的探索之路,并分享了技术成果。

3D打印是当下炙手可热的主题,在这方面,我们更多地听到金属和塑料打印。陶瓷打印是一个挑战极限的技术,而生物陶瓷打印更是难上加难。

3D打印在生物医疗行业的应用概况

3D打印,亦称增材制造,我国古代修建的雄伟长城,就是增材制造的典型案例。如今,集成了现代软件、硬件、机械电子、材料、以及行业应用技术的增材制造,更能充分发挥人们的想象力和创造力。

该技术与传统的减材技术相比,其最大优势就是对复杂材料、结构、功能、应用的一体化设计与制造。

目前,全球3D打印市场规模快速增长,预计到2017年将达到50亿美元,到2020年将达到108亿美元。我国在国际工业级3D打印市场上也占据重要份额。

目前,3D打印在医疗行业领域已成为产业化最广的领域之一,通过3D打印能够快速、高效、准确地再现三维计算的模型,完美地复制人体结构与构造,已经在医用模型、外科手术、手术导板、骨科植入物等领域有了广泛的应用。

体外应用:此类多为非生物3D打印,原理较简单,所需材料也较易得。大部分集中在假肢制造、牙齿矫正与修复等方面。技术和材料较成熟,能实现商品化。

体内植入:此类多为基于活性生物材料,细胞组织过程,MRI与CT技术以及3D重构技术等进行的活体打印,最终目标是打印活体器官。

3D打印植入物的临床应用技术与政策

3D打印在体内植入物的应用和市场介绍

3D打印植入物的最终目标是打印活体器官,目前大多存在于实验室阶段,多数成果都是简单生命体或是细胞组织打印。目前在体内植入物,具有产业化前景的主要是药物筛选、骨、骨关节打印和血管支架。

硬组织修复是一个巨大的市场,仅中国就有千亿元的需求。具有非常重要的社会意义与经济价值。但是,采用假体修复,难以动态适应人体组织变化的需要;自体骨移植术是拆东墙补西墙、数量有限;同种/异种骨修复,存在免疫排斥反应、疾病传染风险;人造骨骼能够可控制造,是发展的必然趋势。

理想的人工骨基质材料应具备以下特征:

1、良好的生物相容性及生物降解性

2、骨传导及诱导活性

3、满意的机械强度

4、可塑型性

5、能负载大量细胞的高渗透性

6、支持骨质细胞生长和功能分化的表面化学性质与微结构

7、可与其它活性分子复合共同诱导骨发生

8、原材料来源广泛,生产廉价

9、容易消毒

目前已研究的人工骨主要集中在两类:

一类是以硫酸钙、碳酸钙、磷酸钙以及羟基磷灰石等为代表的无机钙盐,另一类是以有机高分子材料为代表的生物聚合物。目前市场上还没有可再生3D生物陶瓷打印人工骨产品。

3D打印人工骨属于第三类医疗器械,实行注册制,需要严格的审批,一旦获得CFDA注册证,将具有很高的技术、应用和时间壁垒。

3D生物陶瓷打印产业链技术

3D打印技术

粉末粘结(3DP)

优势:彩色艺术设计、工业级大型零件制造;

确定:材料用量大、设备庞大、粉体污染。

激光选区烧结(SLS)

优势:工业级大型零件制造;

缺点:材料用量较大、温度高、激光辐射、寿命有限。

叠层制造(LOM)

优势:适合工业级大型零件制造;

缺点:工序繁杂、材料用量多、材料浪费严重。

光固化(SLA)

优势:精度高、设备小、操作便捷;

缺点:材料选择有限、部分材料对人体有害。

熔融沉积(FDM)

优势:设备小、价格便宜;

缺点:材料复合困难。

很多技术都可以应用于生物陶瓷打印,但是也存在诸多限制。因此,需要发展定制化的技术。

无丝打印(FFP)

优势:材料适应广、材料复合化容易、打印材料定量、打印结构可控、无温差自凝打印;

缺点:操作人员需专业材料调配技术。

无丝打印的核心思想是由点及线及面及体,由最简单的“物质点”构造多尺度的“功能云”。这也是“点云”一名的由来。

3D打印设备

国际上有诸多3D生物打印设备,存在诸多优点,但也有不足,总之仍处于发展中。

法国的Ceramaker:采用的是SLA,这是一种光固化技术。整个工艺流程包括:建立CAD文档、生成STL文档并分层、逐层打印、脱脂和烧结、后加工。

其中,脱脂和烧结过程必然导致材料变化和尺寸收缩,这对于尺寸控制需要进行精确控制、设计、预估;由于需要高温烧结,对细胞引入不利。

奥地利的Lithoz:在该领域取得了较大进展。发明了LCM技术,也采用光固化技术,但不同于法国的下沉式,它是提拉式的。材料用量较少,可打印出精细的结构,但它也采用了光敏树脂,后续需要脱脂和烧结。

点云采用全新的技术链,以真实骨为目标模型。其技术链主要包括制造陶瓷粉体、制孔、制支架三个核心步骤,均申请了相关发明专利。

制陶瓷粉体:针对制粉技术,开发了材料精细合成理论分析软件,能够通过软件计算出材料合成条件。

制孔:制孔技术有多种:颗粒晶格堆积、冷冻干燥、模板法、无丝打印技术。

颗粒晶格堆积:仿造原子堆积,如图,红色的球代表陶瓷颗粒,白色的球代表形成的孔隙。这种方式可以通过控制球径大小,实现不同孔径的全连通孔隙。

冷冻干燥技术:将陶瓷和其他材料组合成浆料,然后瞬间冷冻到零下30~40摄氏度,甚至更低。接下来进行抽真空,里面的结晶水会通过升华,直接从固态变成气态,从而形成连通的孔隙结构,我们可以通过陶瓷浆料的固液比来控制孔隙的大小。

模板法:采用海绵等生物模板,将陶瓷浆料与模板组合在一起,然后去除模板,从而形成网状孔隙。

无丝打印技术:可以精准控制孔隙大小和梁的宽窄,以及每层间的孔隙大小。

制孔技术多种多样,其目的都是控制孔隙大小,使细胞能顺利长入人工骨。

制支架: 制支架也有多种技术,主要有粉末打印无收缩烧结、组合技术、多尺度无丝打印技术。

点云在3D生物陶瓷打印技术与应用领域的探索

人工骨打印具有骨矿含量大、材料/孔隙结构复杂、软硬件控制难、温度使用受限等诸多国际难题。全球的科学家和研究机构都在挑战这一领域。

悉尼大学Zreiqat教授正在研发仿生大段人工骨,她们计划“十年内用于临床”。点云3D打印人工骨已完成批量动物实验。获得国内外媒体引用报道数百次。

点云已形成了从材料、装备、体外细胞实验、体内动物实验的生态技术系统。目前正在准备临床实验。

点云研发的生物墨水,可以在纳米尺度上调控陶瓷材料的形态,更有利于生物再生和材料定制研发。

点云3D生物陶瓷打印机可以在常温或低温下实现高粘度生物陶瓷复合材料的增材制造,不改变材料的降解特性和生物相容性。该设备也可定制开发。

研究表明,可再生3D打印仿生人工骨具有诱导成骨特性,是持久可靠的解决方案。

点云在复杂结构/牙科领域形成了纳米复合材料、建模与分析软件等特色技术。

3D生物陶瓷打印是当前增材制造领域的热点、难点、痛点,但是其巨大的应用前景和不可替代的行业需求,促使大家汇聚顶尖智慧和各种资源,早日为人类健康服务!

问答环节

提问1:生物陶瓷的强度和耐腐程度是否可以支持大段骨骼的长期植入要求?

曾博士:陶瓷的强度和耐腐蚀度都很强,但是大段骨的植入要求是可降解特性,因此需要制成多孔。可降解材料随着植入时间的增长,会逐渐降解,因此不存在腐蚀的问题。

对于关节或牙科的使用,则需要强调材料的强度和耐腐蚀程度,可以采用更耐腐蚀的材料,如氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅等。

提问2:对比钛合金类植入物,生物陶瓷在成本和技术上都有哪些优势?

曾博士:在承重部位需要植入物在初期就具有比较好的力学性能,因此钛合金植入物在这个领域具有很好的优势。而生物陶瓷的特色在于可再生,在需要可再生的应用领域,如儿童和老年人的缺损修复上则具有明显优势。

提问3:点云的无丝打印技术对材料调配要求比较高,这在后期医院的应用中会不会是比较大的障碍?另外,点云的打印系统是否可以支持使用其他厂商的生物陶瓷材料?

曾博士:由于这种技术使用的材料范围比较广泛,还需要特殊软件的分析功能,因此医院在使用时需要一些技巧,但这些问题都可以很快解决。点云的打印系统是一个开放的系统,能支持其他厂商的材料。

提问4:目前点云对外有哪些业务的合作,最期望哪一类型的业务合作?


曾博士:点云目前对外的业务包括材料、软件、装备和临床应用的合作。我们研发产品的目的在于应用,所以最需要的是临床的合作。但实际上,一个产品进入应用的过程是需要群策群力的,所以每一类合作我们都非常欢迎。