SLM增材制造多孔生物鈦合金植入材料：機(jī)械、物理和拓?fù)涞膬?yōu)化組合

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

摘要：骨科植入物的技術(shù)正處在不斷進(jìn)步的過(guò)程中，用于不斷的提高同周圍骨組織的相互作用，其目的是為了確保對(duì)患者有更好的植入效果。植入物與周圍骨之間成功的生物學(xué)反應(yīng)主要取決于機(jī)械性能、身體上的和拓?fù)湫再|(zhì)的綜合結(jié)果。因此， Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)成為解決和提高傳統(tǒng)骨科植入物的最為有效的解決方案。本文介紹了一系列的解決方案來(lái)提高設(shè)計(jì)SLM制造Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)的解決措施。

通過(guò)三點(diǎn)彎曲來(lái)評(píng)估制備出來(lái)的微孔結(jié)構(gòu)的彈性模量。形貌分析結(jié)果用來(lái)評(píng)估CAD設(shè)計(jì)尺寸和SLM實(shí)際制造尺寸之間的差異。有限元分析（調(diào)整后的CAD）用實(shí)驗(yàn)得到的尺寸數(shù)據(jù)來(lái)精確的復(fù)制SLM制造的結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。同建立 了設(shè)計(jì)的CAD模型為函數(shù)的測(cè)量SLM尺寸相關(guān)聯(lián)的線性回歸方程。這個(gè)回歸方程通過(guò)測(cè)量實(shí)際的孔隙率同設(shè)計(jì)的CAD尺寸之間的關(guān)系來(lái)獲得。測(cè)量得到的數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步的用來(lái)作為FE分析和設(shè)計(jì)的參考，從而進(jìn)一步的幫助工程設(shè)計(jì)人員來(lái)制造近凈成型的SLM制造的微孔Ti6Al4V結(jié)構(gòu)。

此外，拋光和噴砂后的 Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)表面可以獲得適宜的性能，同獲得的原始制造表面相比，無(wú)論是表面粗糙度和潤(rùn)濕性。毛細(xì)試驗(yàn) 表明所有分析的 Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)均能沿其表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳輸液體。細(xì)胞活力試驗(yàn)結(jié)構(gòu)則顯示SLM制造的Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)并不會(huì)釋放出有毒的物質(zhì)。這表明這種結(jié)構(gòu)可以確保細(xì)胞增殖和附著所具有的適宜的環(huán)境。這一研究成果還提出了一種設(shè)計(jì) Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)策略。即既有適宜的機(jī)械性能，同時(shí)還具有適宜的孔隙率、粗糙度、潤(rùn)濕性、毛細(xì)作用和細(xì)胞成活率，以上這些性能都同骨科植入物的性能密切相關(guān)。最后，還采取SLM技術(shù)制造了Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)的髖關(guān)節(jié)植入物原型，同時(shí)該植入物所具備的適宜的特征也一同在SLM制造的過(guò)程中獲得。

采用SLM技術(shù)進(jìn)行制造時(shí)從CAD到成品的示意圖

研究成果：提出了SLM制造的實(shí)物樣品與CAD結(jié)構(gòu)尺寸之間的線性回歸方程；孔隙率約為65%的Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)且具有適宜的彈性模量；細(xì)胞活力試驗(yàn)證明SLM結(jié)構(gòu)并不會(huì)釋放有毒性的物質(zhì)；試樣在拋光和噴砂后的表面具有超親水性 ；采用SLM技術(shù)制造出Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)的髖關(guān)節(jié)植入物 原型。
SLM技術(shù)是一種高性能的金屬增材制造技術(shù)，該技術(shù)選擇性的熔化金屬粉末、一道道的熔化、一層層的依照設(shè)計(jì)好的CAD模型進(jìn)行堆積，從而獲得金屬制品。SLM技術(shù)具有高度的設(shè)計(jì)自由的優(yōu)勢(shì)。使用SLM技術(shù)，工程設(shè)計(jì)人員可以設(shè)計(jì)出復(fù)雜形狀和具有個(gè)性化特征的產(chǎn)品，如多孔結(jié)構(gòu)。這是傳統(tǒng)的鑄造、鍛造工藝不可能或很難實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)SLM制造的樣品進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試的機(jī)械系統(tǒng)

SLM制造多孔金屬具有廣闊的市場(chǎng)，這是因?yàn)槎嗫撞牧咸貏e適合應(yīng)用于生物領(lǐng)域，尤其是作為骨科植入物。如Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)具有多功能的特性，可以在一個(gè)部件上實(shí)現(xiàn)機(jī)械性能、物理性能和生物學(xué)性能的調(diào)制。SLM制造的多孔材料的精度問(wèn)題是一個(gè)比較大的挑戰(zhàn)，這是該技術(shù)本身存在CAD設(shè)計(jì)尺寸同SLM打印尺寸之間存在差異造成的。這種形狀和尺寸上的差異，系統(tǒng)可以探測(cè)到。在這一方面，需要預(yù)測(cè)軟件或在線監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)探測(cè)兩者之間的差別，從而獲得理想的多孔結(jié)構(gòu)，即物理性能和機(jī)械性能均需要滿足要求。有限元模擬技術(shù)，平衡于實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)研究，可以作為工程上的一個(gè)工具來(lái)預(yù)測(cè)和校正SLM制造上的固有偏差。

SP1結(jié)點(diǎn)的FE模擬的網(wǎng)格劃分

植入物和骨的成功的生物學(xué)反應(yīng)取決于植入物的機(jī)械性能、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)性能。Ti6Al4V由于具有比強(qiáng)度高、生物相容性好、耐蝕性能好、彈性模量同不銹鋼和Co基合金相比要低得多，從而廣泛的應(yīng)用于矯形外科手術(shù)中。然而，Ti6Al4V（大約為110GPa）的彈性模量同人體皮質(zhì)骨相比（10-30GPa）相比仍然較高。這就導(dǎo)致植入材料和周圍的骨頭存在剛度不匹配的問(wèn)題，從而會(huì)在界面產(chǎn)生應(yīng)力分布不充分均勻的問(wèn)題。圍繞植入物的骨吸收直到一個(gè)特定的臨界點(diǎn)才發(fā)現(xiàn)，一般是在植入手術(shù)10-20年之后才會(huì)發(fā)生，此時(shí)需要進(jìn)行翻修手術(shù)。在這里，Ti6Al4V結(jié)構(gòu)材料同骨的彈性模量不匹配，其彈性模量匹配就可以通過(guò)減少和避免同骨頭的剛度不匹配的問(wèn)題。

SP1、SP3、SP5鈦合金微孔結(jié)構(gòu)的SEM照片

植入材料的拓?fù)鋬?yōu)化直接影響到骨頭的生物學(xué)效應(yīng)。臨床實(shí)踐證明，中等表面粗糙度（Ra=2-4μm）會(huì)導(dǎo)致早期康復(fù)、促進(jìn)細(xì)胞的擴(kuò)散和組織的融合。同時(shí)，也有報(bào)道稱可以促進(jìn)骨細(xì)胞的分化、減少破壞骨生長(zhǎng)的細(xì)胞，同時(shí)促進(jìn)骨的長(zhǎng)合和礦化作用。

同一尺度下，CAD設(shè)計(jì)的尺寸和SLM實(shí)際打印尺寸之間的比較

植入物的表面能是另外一個(gè)重要的表面特征，同樣對(duì)植入物和骨的長(zhǎng)合具有十分重要的作用，這一特征通常采用固-液接觸角（潤(rùn)濕角）來(lái)間接測(cè)量。同時(shí)也有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)親水性的表面更有利于細(xì)胞的黏附、細(xì)胞的分化、細(xì)胞的礦物化。毛細(xì)作用是一種液體可以通過(guò)狹窄空間并反抗外力（如重力）而實(shí)現(xiàn)反向流動(dòng)的能力。毛細(xì)能力對(duì)支架的細(xì)胞黏附和細(xì)胞的自我播種也具有非常重要的能力。

SP3、SP5 樣品在SLM沉積態(tài)、拋光和噴砂三種不同狀態(tài)下的SEM照片

在這里，Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并通過(guò)SLM設(shè)備進(jìn)行了制造，其目的是為了獲得適宜的彈性模量、孔隙率、表面粗糙度、潤(rùn)濕性以及毛細(xì)能力的綜合性能的植入物。

SP4樣品在沉積態(tài)時(shí)的親水效果

sp5樣品在（a）拋光狀態(tài)下和（b）噴砂狀態(tài)下的親水實(shí)驗(yàn)結(jié)果

毛細(xì)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間跨度及其相應(yīng)地高度結(jié)果

SLM中制造的Ti6Al4V 微孔髖關(guān)節(jié)植入物的原型

Additive manufactured porous biomaterials targeting orthopedic implants: A suitable combination of mechanical, physical and topological properties，Materials Science and Engineering: C，Volume 107, February 2020, 110342，https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.110342