金屬3D打印技術鈦合金多孔材料——醫療領域篇

作者：鐳明激光

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時間：2021-02-22

3D打印多孔植入物用于骨缺損治療是組織工程領域的一項新突破。利用3D打印技術，可對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進行精確的微孔設計，這種優勢是傳統骨植入支架難以比擬的，因此可以制作出生物相容性和機械性能更為理想的個性化植入物，充分滿足患者需求。

為什么選鈦合金（鈦合金的發展歷程）

鈦及鈦合金，是20世紀中期才逐漸開始發展起來的一種金屬材料。其擁有密度低，比強度高，耐蝕性能好，生物相容性好等特點，被廣泛應用于航空航天、石油化工和醫療健康領域。

第一階段

對于鈦在醫療植入上的應用，早在1940年，就有學者報道了鈦植入物與小鼠股骨之間的惰性表現。1951年，又有學者進一步證實了純鈦相比其他傳統植入物材料，擁有更好的的生物相容性能。但由于當時鈦合金生產成本高昂，不銹鋼在植入體市場已較成熟等原因，鈦合金在醫學領域的應用發展一直較為緩慢。

第二階段

自20世紀60年代，純鈦開始作為人體植入物被應用于臨床口腔研究。隨著具有更加優異使用性能的Ti-6Al-4V合金的開發，鈦合金開始被廣泛應用于醫用植入物市場。

面臨的問題

雖然Ti-6Al-4V的彈性模量僅為114GPa左右，較不銹鋼、鈷鉻合金等其他生物材料低，但仍比人體皮質骨（15~25GPa）和松質骨（0.05~3GPa）高出一個數量級。如此大的差異會導致所謂的“應力屏蔽”效應發生，長期將會導致植入體周圍骨吸收，甚至導致植入體的滑落，降低骨植入的成功率。

“應力屏蔽”效應指生物植入體彈性模量(>100GPa)與受體骨彈性模量(<20GPa)的數值差異較大，導致植入體受力后變形程度與骨不一致，長期使用會引起植入體周圍骨質疏松與骨消融，最終導致植入體滑落的現象。適當降低彈性模量的方法是近年來生物材料研究學者的工作重點之一。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計降低其零件強度。

同時，其成分中所包含的Al、V等元素，均具有一定的生物毒性，長期在人體內使用會引起植入體周圍組織病變，誘發腦病、貧血等癥狀，并不適合長期在人體內使用。

解決方案

生物毒性方面

近年來，針對生物用鈦合金，研究學者圍繞無毒、低彈性模量等特性，開發了諸如含有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。有實驗結果表明，此類鈦合金的骨促進性、致敏性等生物學表現均優于傳統植入物所采用的Ti-6Al-4V與Ti-6Al-7Nb。

應力遮蔽方面

有研究數據表明，多孔材料的開發可有效地降低彈性模量，且為骨長入提供物理空間，增強骨固定。對于骨植入多孔材料，有學者報道，其孔隙率應控制在65%~80%之間。對于孔隙率過大的植入體材料，孔隙率會顯著降低材料的抗壓強度與疲勞性能，幾乎無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，影響骨組織長入材料內部，降低植入體與材料的結合強度。

傳統方法VS3D打印的對比

為達到上述材料孔隙率的設計需求，傳統的多孔鈦合金材料制備方法主要包括如：粉末冶金法，漿料法和纖維燒結法等。

但此類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，或孔壁結構上存在大量微孔，限制了其在生物材料領域的進一步發展。近年來，隨著“3D打印”技術的提出，因其加工的特點，用3D打印來制造多孔材料的優勢越發明顯。

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

SLM工藝