解析▪新創技術
骨損曙光!以陶瓷積層開發高機械性、個人化3D骨材
2021-09-28

創新陶瓷積層製造技術以具光固化與負溫感雙功能的生物陶瓷漿料為原料,透過積層製造機台,可開發個人化、客製化之生物陶瓷骨材,具精準形狀、類海綿骨孔洞結構與優異機械強度,可解決高齡骨缺損移植問題……


| 高雄醫學大學 王志光教授團隊 |

 

骨質疏鬆、骨腫瘤切除或意外,是導致骨缺損的主要原因,目前常見的骨缺損填補主要有自體骨移植、異體骨移植與人工骨材等方式,若使用自體骨移植就需要取自己身體某處的骨頭而造成更多傷口,異體骨移植則可能有感染等潛在風險,且還會有來源是否足夠,形狀是否匹配或是價格考量等缺點。而一般應用於骨組織缺損的再生骨材(如,磷酸鈣生物陶瓷),其孔洞尺寸與結構重複性不佳且機械性甚差,更無法製造符合病人形狀的修復骨材,以上種種問題導致臨床適應症受限。
 

▌以3D積層技術製造高匹配、個人化骨材

3D列印生物陶瓷骨材可實現類似海綿骨連通性孔洞結構,也能製造出外形與骨缺損部位尺寸「高度匹配」的骨缺損骨材,並減少醫生在手術時進行手工削切步驟,縮短手術時間,降低病患術後感染風險,加速骨癒合。但是跟自然的人骨相比,生物陶瓷材料因本身的抗壓強度和韌性,在機械性能上始終不足,也限制了其應用於醫學臨床的發展。高雄醫學大學的創新陶瓷積層製造技術團隊積極研發出,具光固化與負溫感雙功能的專利陶瓷漿料系統,可於商用數位光投影(DLP)的積層製造機台上,建立3D生物陶瓷骨材製造技術。

 

▌光固化負溫感陶瓷原料提高骨材機械性

團隊創新技術使用可光固化與負溫感單體分子(N-isopropylacrylamide base;NIPPAm)為主的光敏樹脂混合成生物陶瓷漿體。其中光聚合後的p(NIPAAm)高分子,因具有C=O及N-H官能基,能分別與水中的氫及氧產生氫鍵,結構中也有異丙基的疏水基,當溫度升高至32 °C時,產生的熱能會破壞C=O及N-H與水之間的氫鍵,使側鏈中的異丙基向結構外伸展而增加結構的立體障礙,使疏水性增加。因此p(NIPAAm)在高於低臨界相分離溫度(~32 °C)時,因為高分子鏈的疏水基產生不可溶的聚合物,溫度繼續升高則會使p(NIPAAm)分子明顯收縮造成排水的現象。所以,通過DLP製造出的3D生物陶瓷生胚,經加熱過程會產生排水收縮效果,有助陶瓷生胚粉體隨高分子收縮排水後緊密堆積,提高燒結的緻密化與獲得較高機械性能(如圖一)。團隊研製的專利磷酸鈣生物陶瓷漿體,及可獲得精準形狀、類海綿骨孔洞結構與優異機械強度的3D生物陶瓷骨材製造技術,開發打造個人化與客製化生物陶瓷骨替代物(bone substitute) (如圖二),解決高齡化骨缺損移植問題,進入精準化骨材新世紀。


 

▌技術強項與優勢

同時具負溫感與光敏固化特性之專利陶瓷漿料系統,搭配高精度商用數位光固化機台,展現突破性3D精密生物陶瓷骨材。優勢為:

  1. 高精度光固化3D積層列印法提供自由形體的3D精雕製造能力,可製作結構尺寸與孔徑具高度匹配骨缺損部位的骨植入物。
     
  2. 光固化負溫感陶瓷生胚可於加熱過程排水收縮,有助於陶瓷粉體燒結緻密化,最終陶瓷具較佳機械性。
     
  3. 可縮短醫生手術時間,降低病患術後感染、加速骨癒合與提供大缺損骨癒合之最佳骨材。

 

 

▌開放那些合作項目?

 

  1. 委託研發設計產學合作
  2. 投資衍生新創,加速成果轉譯臨床
  3. 技轉授權,連結國內外醫材廠

 

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