澳大利亞的研究人員塗覆金剛石的3D列印鈦植入物

最新 04-16

3D列印的理念，形成於19世紀,相關技術在20世紀逐漸變為現實，到了21世紀，才真正意義上獲得應用和推廣。在整個醫學領域裡，由於骨科的專業特點，與3D技術特點吻合度較高，3D列印在骨科專業範圍內的應用較早，也被推動得較快。

3D列印骨骼圖片

近日，澳大利亞研究人員使用金剛石的特性對3D列印材料在醫學領域取得了突破性進展，人體接受生物醫學植入物的方式可能得到改善。來自皇家墨爾本理工大學的研究人員首次成功地塗抹了帶有金剛石的3D列印鈦植入物。

這是3D列印金剛石植入物用於生物醫學和骨科的第一步，涉及人體肌肉骨骼系統的外科手術。儘管鈦可為醫療級別和患者特定的植入物提供快速、準確和可靠的材料，但我們的身體有時會拒絕使用此材料。這是由於鈦上的化合物，阻止組織和骨有效地與生物醫學植入物相互作用。人造金剛石為這個問題提供了一個物美價廉的解決方案。

空心3D列印鈦立方體正加熱覆上鑽石塗層

RMIT研究使用實驗植入物是個空心立方體，採用選擇性激光熔融技術（SLM）和鈦3D列印。列印完成後再用化學氣相沉積法在植入物表面覆上鑽石塗層，這層工藝要求溫度超過1000℃。研究人員使用超分散金剛石（DNDs）作為鑽石塗層的材料，DND這種材料是由TNT和RDX的爆炸性混合物合成製成。據說，DNDS這種材料「比鈦粉便宜」，且適用於3D列印植入物。

塗層是通過微波等離子體工藝在墨爾本納米製造中心製造的。鈦支架與金剛石相結合，形成生物材料。這項技術推出還需要好幾年的時間，但我們所做的這是第一步，在病人可以使用之前，還需要採取很多步驟，這是一次漫長而不可思議的結果中的關鍵一步。

將帶有金剛石塗層的立方體和普通鈦植入物分別植入哺乳動物細胞，並保持在模擬體液中生物活性的條件下，兩種不同植入物進行比較。帶有塗層的植入物不僅促進了更好的細胞附著到下面的金剛石鈦層，而且促進哺乳動物細胞的增殖。金剛石增強活骨和人造植入物之間的整合性，並減少長時間的細菌附著。

3D列印的帶有鑽石塗層的植入物表面

金剛石作為3D列印材料是非常有效的，因為碳是人體的主要組成部分。碳具有與人體令人難以置信的生物相容性，我們的身體很容易接受金剛石，並將其作為複雜材料界面的平台。

目前，醫療骨科方面3D列印技術製造的人工椎體，使用的材料是鈦合金，在樞椎部位第一和第三椎體之間放入3D列印人工椎體，並用鈦合金螺釘將其固定，應用3D列印的人工定製樞椎，作為脊椎外科內植物，進行脊椎腫瘤治療以後的穩定性重建的。

人體的脊椎骨骼形狀非常不規則，傳統的製造手段植入後只能做到部分貼合，牢固性也大打折扣。植入之後可能出現的鬆動，在脊柱和神經密切相關的部位，一點鬆動就能給病人帶來極大的痛苦，所以即便手術完成了，但在日後的康復中會遇到很多問題。

而3D列印技術，在醫學上尤其是骨科內植物領域，3D列印技術使用的材料，是與人體高度相容的鈦合金，這樣就可以用3D技術，列印出與病人解剖結構高度一致的鈦合金植入物了。

3D列印骨骼模型

還有一個好處是，人類的骨骼是有孔隙的，這些孔隙為骨細胞的生長提供了空間，3D列印的人工植入物，完全可做成與骨組織相似的孔隙，這就為骨細胞的生長提供了可能，促進真骨與人工植入物的融合，在牢固性上有極大的優勢。

除了骨科外，金剛石還被用於包覆心血管支架，幫助保持心臟動脈暢通的導管和仿生學和假肢。目前，傳統的血管支架，一般是金屬的，製造工藝是通過激光雕刻，就是把很薄的金屬圓管切割雕刻成想要的結構與形狀，就可以得到血管支架。金屬支架目前佔據全球血管支架的95%以上。但是金屬血管支架不能降解，植入人體後患者需要長期服用抗凝葯，並且永久性的金屬支架還會引起其他副作用，包括遠期支架內再狹窄與疲勞斷裂等。

3D列印血管支架

而採用全降解血管支架則會克服金屬支架的缺點。3D列印的血管支架的支架桿的截面是圓形的，而激光切割出來的血管支架，其支架桿的截面積是長方形的。因此在同樣支架桿厚度的情況下，圓形支架桿具有更小的截面積，其在體內的降解速度會更快。

3D列印是現代一場突破性的革命。通過3D列印，我們可以設計出特定的醫學級植入體。該技術快速、準確、可靠，省力。3D列印的擴展性正在迅速增長，因此我們可以預見，在不久的將來，金剛石塗層將在骨科中變得越來越普遍。

金剛石是自然界存在的特殊材料之一，具有最高的硬度、低摩擦係數、高彈性模量、高熱導、高絕緣、寬能隙、高的聲傳播速率以及良好的化學穩定性等。雖然天然金剛石具有這些獨一無二的特性，但是它們一直僅僅是以寶石的形式存在，其性質的多變性和稀有性極大地限制了其應用。