粉床熔融技術在醫療植入體制造中的應用

閱讀次數:204     發布時間:2016-11-25

增材制造技術在生物醫療領域的應用可分為四個方面,分別是:無生物相容性的醫療器械制造;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胞及其他細胞外基因制造。這些不同領域可應用的增材制造方法包括:立體光刻、分層實體制造、擠出沉積成型、粉床燒結/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(SLM、EBM)應用領域主要有航空航天類工業領域及醫療植入體,特別是永久植入體制造。依托醫學掃描和成像技術,增材制造技術在醫療領域應用更加廣泛。那么在制備金屬生物植入體時材料的選用及設計過程有哪些要求呢?

 

一、植入體用金屬材料

骨科是金屬植入物使用最多的學科,尤其以人工關節為主。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。

另外還有的新材料有:Mg合金——優點:優秀的比強度和比剛度、良好的生物相容性、在生物體內可自動降解等特性;Ti-6Al-7Nb(TC20)——用Nb替代了有毒元素V,比Ti6Al4V更好的抗腐蝕性;鉭——尤其是多孔鉭金屬高的孔隙率、低的硬度和優秀生物相容性,作為生物植入體材料具有極大潛力;以及Ni-Ti形狀記憶合金。

 

本文在此僅介紹常見材料:

① 316/316L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,且價格低廉。常用于人工骨節或骨折區固定器等。其缺點在于在生理環境中,不銹鋼有時會產生腐蝕等問題。較多研究在SLM方法制備316L植入體。

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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。但其價格較高也是不得不提的缺點。其主要作為關節、牙齒等替代材料。

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③  Ti6Al4V

彈性模量比不銹鋼及鈷基合金更接近骨質。用于制備關節、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)導致兩者力學性能的差異。

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二、設計過程

粉床熔融技術的可定制特點及可制備與骨組織相匹配的多孔結構特點,使其適合生物增材制造中永久植入體的制備。

① 數據采集過程

可借助CT掃描、磁共振成像(MRI)、X攝像技術采集病人特定植入體形貌模型。3D模型重建并使用三維軟件進行圖形個性化設計,經magics等軟件處理后,導入增材制造設備直接打印成型。

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②多孔結構的設計

骨組織可分為密致骨(皮質骨)和松質骨(小梁骨)兩種,兩者區別在于孔隙度和組織不同。因此為了更精確的模仿骨質屬性需要對孔隙度設計。且這種孔隙結構必須相互關聯,以確保骨骼的生長和細胞的遷移,同時也要考慮開孔率。目前植入體普遍的孔隙尺寸為400-600微米,孔隙率為75-85%。

多孔結構的孔徑、孔隙率及內部貫通性是決定骨材料植入后骨長入方式和數量的決定因素。L.E.Murr提出的四種多孔結構模型,如下圖:

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Dongjin Yoo 提出了生物多孔結構。

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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性還需要對多孔結構的表面進行化學處理或鍍膜處理??刹捎玫姆椒òǎ簾釃娡?、激光熔敷、離子濺射、噴砂法、電化學法等等。常用的耐磨表面涂層TiN、TiO2及生物活性涂層。

 

三、發展與挑戰

①功能梯度結構、復合材料的研發

功能梯度結構更符合生物機械性能要求,且能減小由于屬彈性模量過高,使在和不能很好的由植入體傳遞到相連骨組織而產生的“應力屏蔽”,同時提高了生物相容性。這種梯度結構包括材料成分的連續過渡和結構的連續過渡(見下圖多孔結構的連續過渡)。材料連續過渡舉例:例人造牙齒根外表可用耐磨性優秀的羥基磷石灰陶瓷,內部可用高強度鈦合金材料。

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復合材料作為金屬植入體要求在單一結構中按照不同需求在植入體不同部分存在多復合材料結構。而粉床熔融技術對此材料制備過程和性能缺乏深入的研究。

②蜂窩復雜結構制造

蜂窩狀結構分為隨機性的及非隨機性,后者層錯結構具有可重復性。這種復雜結構制造過程難點在于粉末粘著結構框架上去除困難。

 

四、案例

①鈷基合金人工膝關節

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② 生物植入體制造技術是一個復雜的新型技術,涉及3D打印、生物學、材料學等多學科知識。小編在此僅對金屬增材制造在該領域應用的整體概況介紹。具體理論知識及工藝細節還需參照相關書籍、文獻。

 

注:文中數據及圖片均來自相關文獻。


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