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粉床熔融技术在医疗植入体制造中的应用
发布时间:2016-11-25 丨 阅读次数:2533

增材制造技术在生物医疗领域的应用可分为四个方面,分别是:无生物相容性的医疗器械制造;具备生物相容性但不可降解的永久植入体制造;具备生物相容性且可降解的组织工程支架的制造和细胞及其他细胞外基因制造。这些不同领域可应用的增材制造方法包括:立体光刻、分层实体制造、挤出沉积成型、粉床烧结/熔融等等。本文在此主要阐述作为永久性植入体的——金属植入体的制造过程。粉床熔融技术(SLM、EBM)应用领域主要有航空航天类工业领域及医疗植入体,特别是永久植入体制造。依托医学扫描和成像技术,增材制造技术在医疗领域应用更加广泛。那么在制备金属生物植入体时材料的选用及设计过程有哪些要求呢?

一、植入体用金属材料

骨科是金属植入物使用最多的学科,尤其以人工关节为主。其中涉及的常见的金属材料可用于金属植入体制备,包括:316/316L不锈钢,Ti6Al4V,CoCr合金。

另外还有的新材料有:Mg合金——优点:优秀的比强度和比刚度、良好的生物相容性、在生物体内可自动降解等特性;Ti-6Al-7Nb(TC20)——用Nb替代了有毒元素V,比Ti6Al4V更好的抗腐蚀性;钽——尤其是多孔钽金属高的孔隙率、低的硬度和优秀生物相容性,作为生物植入体材料具有极大潜力;以及Ni-Ti形状记忆合金。

本文在此仅介绍常见材料:

①316/316L不锈钢

不锈钢是最早的人体植入体材料,特别是奥氏体不锈钢具有较好的生物相容性,且价格低廉。常用于人工骨节或骨折区固定器等。其缺点在于在生理环境中,不锈钢有时会产生腐蚀等问题。较多研究在SLM方法制备316L植入体。

② CoCr合金

CoCr合金作为钴基材料代表,其抗腐蚀性及耐磨性能较不锈钢都有所提高。但其价格较高也是不得不提的缺点。其主要作为关节、牙齿等替代材料。

③ Ti6Al4V

弹性模量比不锈钢及钴基合金更接近骨质。用于制备关节、胸骨、颅骨以及介入性心血管支架等植入体。SLM、EBM方法制备该材料均有较多研究,两种方法制备材料组织不同(SLM多有马氏体相,EBM多为α+β相)导致两者力学性能的差异。

二、设计过程

粉床熔融技术的可定制特点及可制备与骨组织相匹配的多孔结构特点,使其适合生物增材制造中永久植入体的制备。

①数据采集过程

可借助CT扫描、磁共振成像(MRI)、X摄像技术采集病人特定植入体形貌模型。3D模型重建并使用三维软件进行图形个性化设计,经magics等软件处理后,导入增材制造设备直接打印成型。


②多孔结构的设计

骨组织可分为密致骨(皮质骨)和松质骨(小梁骨)两种,两者区别在于孔隙度和组织不同。因此为了更精确的模仿骨质属性需要对孔隙度设计。且这种孔隙结构必须相互关联,以确保骨骼的生长和细胞的迁移,同时也要考虑开孔率。目前植入体普遍的孔隙尺寸为400-600微米,孔隙率为75-85%。

多孔结构的孔径、孔隙率及内部贯通性是决定骨材料植入后骨长入方式和数量的决定因素。L.E.Murr提出的四种多孔结构模型,如下图:


Dongjin Yoo 提出了生物多孔结构。


③植入体表面改性

为保证植入体表面具有较好的生物相容性、耐磨性及对组织生长的诱导性还需要对多孔结构的表面进行化学处理或镀膜处理。可采用的方法包括:热喷涂、激光熔敷、离子溅射、喷砂法、电化学法等等。常用的耐磨表面涂层TiN、TiO2及生物活性涂层。

三、发展与挑战

①功能梯度结构、复合材料的研发

功能梯度结构更符合生物机械性能要求,且能减小由于属弹性模量过高,使在和不能很好的由植入体传递到相连骨组织而产生的“应力屏蔽”,同时提高了生物相容性。这种梯度结构包括材料成分的连续过渡和结构的连续过渡(见下图多孔结构的连续过渡)。材料连续过渡举例:例人造牙齿根外表可用耐磨性优秀的羟基磷石灰陶瓷,内部可用高强度钛合金材料。


复合材料作为金属植入体要求在单一结构中按照不同需求在植入体不同部分存在多复合材料结构。而粉床熔融技术对此材料制备过程和性能缺乏深入的研究。

②蜂窝复杂结构制造

蜂窝状结构分为随机性的及非随机性,后者层错结构具有可重复性。这种复杂结构制造过程难点在于粉末粘着结构框架上去除困难。

四、案例

①钴基合金人工膝关节


② 生物植入体制造技术是一个复杂的新型技术,涉及3D打印、生物学、材料学等多学科知识。小编在此仅对金属增材制造在该领域应用的整体概况介绍。具体理论知识及工艺细节还需参照相关书籍、文献。

 

注:文中数据及图片均来自相关文献。


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