金屬3D打印技術(shù)鈦合金多孔材料——醫(yī)療領(lǐng)域篇

來(lái)源： 鐳明激光

3D打印多孔植入物用于骨缺損治療是組織工程領(lǐng)域的一項(xiàng)新突破。利用3D打印技術(shù)，可對(duì)植入材料的孔隙尺寸、孔隙率、孔隙形狀及表面形貌等物理參數(shù)進(jìn)行精確的微孔設(shè)計(jì)，這種優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)骨植入支架難以比擬的，因此可以制作出生物相容性和機(jī)械性能更為理想的個(gè)性化植入物，充分滿足患者需求。

為什么選鈦合金
鈦及鈦合金，是20世紀(jì)中期才逐漸開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一種金屬材料。其擁有密度低，比強(qiáng)度高，耐蝕性能好，生物相容性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工和醫(yī)療健康領(lǐng)域。

第一階段
對(duì)于鈦在醫(yī)療植入上的應(yīng)用，早在1940年，就有學(xué)者報(bào)道了鈦植入物與小鼠股骨之間的惰性表現(xiàn)。1951年，又有學(xué)者進(jìn)一步證實(shí)了純鈦相比其他傳統(tǒng)植入物材料，擁有更好的的生物相容性能。但由于當(dāng)時(shí)鈦合金生產(chǎn)成本高昂，不銹鋼在植入體市場(chǎng)已較成熟等原因，鈦合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展一直較為緩慢。

第二階段
自20世紀(jì)60年代，純鈦開(kāi)始作為人體植入物被應(yīng)用于臨床口腔研究。隨著具有更加優(yōu)異使用性能的Ti-6Al-4V合金的開(kāi)發(fā)，鈦合金開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于醫(yī)用植入物市場(chǎng)。

面臨的問(wèn)題
雖然Ti-6Al-4V的彈性模量?jī)H為114GPa左右，較不銹鋼、鈷鉻合金等其他生物材料低，但仍比人體皮質(zhì)骨（15~25GPa）和松質(zhì)骨（0.05~3GPa）高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。如此大的差異會(huì)導(dǎo)致所謂的“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)發(fā)生，長(zhǎng)期將會(huì)導(dǎo)致植入體周?chē)俏?，甚至?dǎo)致植入體的滑落，降低骨植入的成功率。

“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)指生物植入體彈性模量(>100GPa)與受體骨彈性模量(<20GPa)的數(shù)值差異較大，導(dǎo)致植入體受力后變形程度與骨不一致，長(zhǎng)期使用會(huì)引起植入體周?chē)琴|(zhì)疏松與骨消融，最終導(dǎo)致植入體滑落的現(xiàn)象。適當(dāng)降低彈性模量的方法是近年來(lái)生物材料研究學(xué)者的工作重點(diǎn)之一。通常，降低彈性模量的方法包括采用彈性模量較低的合金或利用多孔設(shè)計(jì)降低其零件強(qiáng)度。

同時(shí)，其成分中所包含的Al、V等元素，均具有一定的生物毒性，長(zhǎng)期在人體內(nèi)使用會(huì)引起植入體周?chē)M織病變，誘發(fā)腦病、貧血等癥狀，并不適合長(zhǎng)期在人體內(nèi)使用。

解決方案
生物毒性方面
近年來(lái)，針對(duì)生物用鈦合金，研究學(xué)者圍繞無(wú)毒、低彈性模量等特性，開(kāi)發(fā)了諸如含有Ti-Nb-Ta-Zr的Gum合金、含有Ti-Nb-Zr-Mo-Sn的TLM合金以及含有Ti-Nb-Zr-Sn的Ti2448合金等等，這些合金均采用了生物相容性較好的Nb、Zr、Mo等元素。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此類(lèi)鈦合金的骨促進(jìn)性、致敏性等生物學(xué)表現(xiàn)均優(yōu)于傳統(tǒng)植入物所采用的Ti-6Al-4V與Ti-6Al-7Nb。

應(yīng)力遮蔽方面
有研究數(shù)據(jù)表明，多孔材料的開(kāi)發(fā)可有效地降低彈性模量，且為骨長(zhǎng)入提供物理空間，增強(qiáng)骨固定。對(duì)于骨植入多孔材料，有學(xué)者報(bào)道，其孔隙率應(yīng)控制在65%~80%之間。對(duì)于孔隙率過(guò)大的植入體材料，孔隙率會(huì)顯著降低材料的抗壓強(qiáng)度與疲勞性能，幾乎無(wú)法滿足材料的正常使用需求；而低于這一值的多孔材料，由于致密度較高，影響骨組織長(zhǎng)入材料內(nèi)部，降低植入體與材料的結(jié)合強(qiáng)度。

傳統(tǒng)方法VS3D打印的對(duì)比
為達(dá)到上述材料孔隙率的設(shè)計(jì)需求，傳統(tǒng)的多孔鈦合金材料制備方法主要包括如：粉末冶金法，漿料法和纖維燒結(jié)法等。

但此類(lèi)方法制作的多孔材料普遍孔徑較小，孔隙分布不均勻，通孔率不高，或孔壁結(jié)構(gòu)上存在大量微孔，限制了其在生物材料領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。近年來(lái)，隨著“3D打印”技術(shù)的提出，因其加工的特點(diǎn)，用3D打印來(lái)制造多孔材料的優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯。

下表對(duì)比了幾種常見(jiàn)多孔材料制備方法的特點(diǎn)，圖XX則展示了造孔劑燒結(jié)法與3D打印SLM工藝從原材料到成形產(chǎn)品的異同。

造孔劑法使用粉末 VS SLM工藝使用粉末

造孔劑法制備多孔樣品 VS 3D打印產(chǎn)品

常見(jiàn)骨小梁胞元結(jié)構(gòu)的三維模型示例

未來(lái)，隨著多孔材料孔隙率和孔徑大小、彈性模量、生物毒性等問(wèn)題的解決，以及各學(xué)科包括材料學(xué)、干細(xì)胞技術(shù)等的整合與突破，3D打印鈦合金替代物將會(huì)成為一種個(gè)性化、精準(zhǔn)化的醫(yī)療技術(shù)，廣泛應(yīng)用于骨科臨床，有效地解決骨修復(fù)的治療難題。

鐳明激光鈦合金打印案例

參考文獻(xiàn)：
《3D打印鈦合金骨小梁多孔結(jié)構(gòu)的拉伸性能》
《3D 打印多孔鈦合金支架孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)骨長(zhǎng)入效果影響的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究》
《3D 打印醫(yī)用鈦合金研究進(jìn)展》