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粉床熔融3D打印技術(shù)在醫(yī)療植

發(fā)布時(shí)間：2022-07-02 15:49:01瀏覽：6975點(diǎn)贊：

增材制造技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用可分為四個方面，分別是：無生物相容性的醫(yī)療器械制造;具備生物相容性但不可降解的永久植入體制造;具備生物相容性且可降解的組織工程支架的制造和細(xì)胞及其他細(xì)胞外基因制造

。這些不同領(lǐng)域可應(yīng)用的增材制造方法包括：立體光刻

、分層實(shí)體制造

、擠出沉積成型

、粉床燒結(jié) /熔融等等。本文在此主要闡述作為永久性植入體的——金屬植入體的制造過程

。

粉床熔融技術(shù)(SLM

、EBM)應(yīng)用領(lǐng)域主要有航空航天類工業(yè)領(lǐng)域及醫(yī)療植入體

，特別是永久植入體制造

。依托醫(yī)學(xué)掃描和成像技術(shù)，增材制造技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛

。那么在制備金屬生物植入體時(shí)材料的選用及設(shè)計(jì)過程有哪些要求呢?

一. 植入體用金屬材料

骨科是金屬植入物使用最多的學(xué)科

，尤其以人工關(guān)節(jié)為主

。其中涉及的常見的金屬材料可用于金屬植入體制備包括：316/316L不銹鋼

，Ti6Al4V，CoCr合金

。

本文在此僅介紹常見材料：

①316/316L不銹鋼

不銹鋼是最早的人體植入體材料

，特別是奧氏體不銹鋼具有較好的生物相容性

，且價(jià)格低廉

。常用于人工骨節(jié)或骨折區(qū)固定器等。其缺點(diǎn)在于在生理環(huán)境中

，不銹鋼有時(shí)會產(chǎn)生腐蝕等問題

。較多研究在SLM方法制備316L植入體。

② CoCr合金

CoCr合金作為鈷基材料代表

，其抗腐蝕性及耐磨性能較不銹鋼都有所提高。但其價(jià)格較高也是不得不提的缺點(diǎn)

。其主要作為關(guān)節(jié)

、牙齒等替代材料。

③ Ti6Al4V

Ti6Al4V由于極好的生物相容性

、抗腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域

。

彈性模量比不銹鋼及鈷基合金更接近骨質(zhì)

。用于制備關(guān)節(jié)

、胸骨、顱骨以及介入性心血管支架等植入體

。SLM、EBM方法制備該材料均有較多研究

，兩種方法制備材料組織不同(SLM多有馬氏體相

，EBM多為α+β相)導(dǎo)致兩者力學(xué)性能的差異。

二. 設(shè)計(jì)過程

粉床熔融技術(shù)的可定制特點(diǎn)及可制備與骨組織相匹配的多孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

，使其適合生物增材制造中永久植入體的制備

。

①數(shù)據(jù)采集過程

②多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

骨組織可分為密致骨(皮質(zhì)骨)和松質(zhì)骨(小梁骨)兩種

，兩者區(qū)別在于孔隙度和組織不同

。因此為了更精確的模仿骨質(zhì)屬性需要對孔隙度設(shè)計(jì)。且這種孔隙結(jié)構(gòu)必須相互關(guān)聯(lián)

，以確保骨骼的生長和細(xì)胞的遷移

，同時(shí)也要考慮開孔率

。目前植入體普遍的孔隙尺寸為400-600微米

，孔隙率為75-85%。

多孔結(jié)構(gòu)的孔徑

、孔隙率及內(nèi)部貫通性是決定骨材料植入后骨長入方式和數(shù)量的決定因素

。L.E.Murr提出的四種多孔結(jié)構(gòu)模型，如下圖：

Dongjin Yoo 提出了生物多孔結(jié)構(gòu)

。

③植入體表面改性

為保證植入體表面具有較好的生物相容性、耐磨性及對組織生長的誘導(dǎo)性還需要對多孔結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行化學(xué)處理或鍍膜處理

?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">？刹捎玫姆椒òǎ簾釃娡俊⒓す馊鄯?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">、離子濺射

、噴砂法、電化學(xué)法等等

。常用的耐磨表面涂層TiN、TiO2及生物活性涂層

。

三. 發(fā)展與挑戰(zhàn)

①功能梯度結(jié)構(gòu)

、復(fù)合材料的研發(fā)

復(fù)合材料作為金屬植入體要求在單一結(jié)構(gòu)中按照不同需求在植入體不同部分存在多復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。而粉床熔融技術(shù)對此材料制備過程和性能缺乏深入研究

。

②蜂窩復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造

蜂窩狀結(jié)構(gòu)分為隨機(jī)性的及非隨機(jī)性

，后者層錯結(jié)構(gòu)具有可重復(fù)性。這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造過程難點(diǎn)在于粉末粘著結(jié)構(gòu)框架上去除困難

。

四. 案例

①鈷基合金人工膝關(guān)節(jié)

②鈦合金胸肋骨

?人工髖關(guān)節(jié)中的臼杯

生物植入體制造技術(shù)是一個復(fù)雜的新型技術(shù)，涉及3D打印

、生物學(xué)

、材料學(xué)等多學(xué)科知識。小編在此僅對金屬增材制造在該領(lǐng)域應(yīng)用的整體概況介紹

。具體理論知識及工藝細(xì)節(jié)還需參照相關(guān)書籍

、文獻(xiàn)。

(責(zé)任編輯：admin)

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