金屬3D打印在骨科植入物領(lǐng)域的應(yīng)用
2015年03月25日 9:13 3691次瀏覽 來源： 天工社 分類： 新材料前沿
3D打印技術(shù)在醫(yī)療方面的應(yīng)用正在不斷擴(kuò)展。依托于醫(yī)學(xué)掃描和成像技術(shù)（CT、MRI、超聲波），這種新的方法為醫(yī)療提供了更多經(jīng)濟(jì)而有效的解決方案，正在改變現(xiàn)有醫(yī)療行業(yè)的供應(yīng)鏈。
在這方面一個值得注意的事情是，美國醫(yī)藥監(jiān)管機(jī)構(gòu)FDA已經(jīng)給一些3D打印的醫(yī)療設(shè)備發(fā)放了市場許可。
那么現(xiàn)在已經(jīng)有那些醫(yī)療方面的終端應(yīng)用可以3D打印了？
通用項目（髖部/膝蓋/肩部植入物或植入物附件）
獨特的定制項目（助聽器、牙科、鞋墊、假肢和矯形外科植入物）
模型（用于下一步制造牙冠或牙齒矯正）
已經(jīng)采用3D打印部件的這些醫(yī)療領(lǐng)域獲得了一個更為精簡的供應(yīng)鏈。3D打印技術(shù)不需要多個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)過程或者使用任何其它工具，而且能夠最大限度地降低庫存。這導(dǎo)致了成本的降低和交貨時間的縮短，對于那些體積小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件，如骨科植入物，效益尤其明顯。
目前許多外科醫(yī)生正在嘗試用金屬3D打印工藝來制造骨科植入物，而且即將獲得成功的應(yīng)用。其中的原因是金屬3D打印主要有以下特點：
1）生物相容性金屬粉末
能夠在其表面獲得來自相鄰細(xì)胞和組織的預(yù)期反應(yīng)是外科植入物的一個非常重要的屬性。因為細(xì)胞行為（密合性、功能性改變、形態(tài)變化和增殖）會受到其表面屬性的強(qiáng)烈影響。表面形貌、表面化學(xué)和表面能量支配著植入物的生物反應(yīng)。
因此，對于植入物的制造，優(yōu)選材料是純鈦和鈦合金。純鈦具有較高的耐腐蝕性以及被認(rèn)為是最具生物相容性的金屬。只要其表面被暴露在氧化性介質(zhì)中，它就能夠自發(fā)地形成穩(wěn)定的惰性氧化物層。如果需要生物醫(yī)學(xué)植入物具備更高的強(qiáng)度的話，那么更好的選擇則是Ti6Al4V合金，該材料也會表現(xiàn)出良好的抗疲勞、耐腐蝕特性，而且比重比較低。
此外，能夠以粉末形式提供的其他生物相容性材料還有不銹鋼316L和鈷鉻合金。而高度受控的金屬3D打印環(huán)境（充滿中性氣體和限制氧氣）可確保打印部件的高純度，保留了期望的材料性能。
2）更便宜的“一次性”定制金屬植入物
在制造定制化的植入物時，傳統(tǒng)的方式往往特別費時和昂貴，而3D打印則就靈活的多，其資金需求被限定在一定范圍，設(shè)計復(fù)雜性被減小，從而使個人定制得以實現(xiàn)。
顯而易見，定制產(chǎn)品會讓病人更加舒服，恢復(fù)得更快。骨科醫(yī)生可以通過自定義形狀優(yōu)化應(yīng)力在骨骼上的分布，并提供更好的適應(yīng)性，并消除了外科醫(yī)生在手術(shù)之中進(jìn)行手動處理的需要。失敗的風(fēng)險降低了，同時手術(shù)時間和總體成本也在降低。
3）機(jī)械性能升級
3D打印的部件與傳統(tǒng)制造技術(shù)，如鑄造，生產(chǎn)出來的部件相比，往往具有更好的機(jī)械性能。因為有的金屬3D打印工藝會涉及到非常專業(yè)前沿的冶金學(xué)技術(shù)，能夠生成獨特的微觀結(jié)構(gòu)。據(jù)天工社所知，經(jīng)過妥善處理，金屬3D打印能夠產(chǎn)生精制晶粒，這是因為熱影響區(qū)域直接環(huán)繞著激光熔池，所以可以快速獲得熱能。此外，作為金屬3D打印價值鏈的一部分，后處理中的熱處理也可以進(jìn)一步提高預(yù)成品的機(jī)械性能。
其結(jié)果是，該部分可能因為厚度的稍稍減少而變得更輕，這降低了患者的不適感，而且不會犧牲其它屬性。
4）3D打印和矯形金屬植入物之間的協(xié)同作用
鈦金屬具有高彈性模量，容易導(dǎo)致植入物和骨頭之間的彈性失配，并限制了這種材料的使用。一種低彈性楊氏模量有助于避免“應(yīng)力屏蔽”（即由于植入物導(dǎo)致的骨骼正常應(yīng)力的消失），而“應(yīng)力屏蔽”則會導(dǎo)致骨質(zhì)密度的降低。
由于金屬3D打印技術(shù)能夠指定構(gòu)建對象的孔隙度，因此可以通過改變體積分率和多孔結(jié)構(gòu)的尺寸分布來解決這個問題。事實上，多孔鈦的彈性模量會隨著孔徑的增加而減小，而植入物可以通過量身定制具有類似人骨的機(jī)械性能?！ 〈送?，傳統(tǒng)上使用減材制造的金屬植入物通常會在表面施加多孔表面涂層，以便于骨內(nèi)生長和整個植入物的結(jié)合。而金屬3D打印則能夠?qū)⑻峁?qiáng)度的致密承重結(jié)構(gòu)與精確而互相連接的開放氣孔誘導(dǎo)骨生長有機(jī)地結(jié)合在一起。
最后一點，但同樣重要的是，當(dāng)骨科植入物需要固定的時候，金屬3D打印的預(yù)成品部件的粗糙表面可以消除下游涂覆操作的需要，節(jié)省了時間和金錢。
責(zé)任編輯：淮金
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