浅谈金属3D打印在骨科植入物领域的应用

    3D打印技术在医疗方面的应用正在不断扩展。依托于医学扫描和成像技术(CT、MRI、超声波)，这种新的方法为医疗提供了更多经济而有效的解决方案，正在改变现有医疗行业的供应链。

    在这方面一个值得注意的事情是，美国医药监管机构FDA已经给一些3D打印的医疗设备发放了市场许可。

    那么现在已经有那些医疗方面的终端应用可以3D打印了?

    通用项目(髋部/膝盖/肩部植入物或植入物附件)

    独特的定制项目(助听器、牙科、鞋垫、假肢和矫形外科植入物)

    模型(用于下一步制造牙冠或牙齿矫正)

    已经采用3D打印部件的这些医疗领域获得了一个更为精简的供应链。3D打印技术不需要多个环节的生产过程或者使用任何其它工具，而且能够最大限度地降低库存。这导致了成本的降低和交货时间的缩短，对于那些体积小、结构复杂的零部件，如骨科植入物，效益尤其明显。

    目前许多外科医生正在尝试用金属3D打印工艺来制造骨科植入物，而且即将获得成功的应用。其中的原因是金属3D打印主要有以下特点：

    1)生物相容性金属粉末

    能够在其表面获得来自相邻细胞和组织的预期反应是外科植入物的一个非常重要的属性。因为细胞行为(密合性、功能性改变、形态变化和增殖)会受到其表面属性的强烈影响。表面形貌、表面化学和表面能量支配着植入物的生物反应。

    因此，对于植入物的制造，优选材料是纯钛和钛合金。纯钛具有较高的耐腐蚀性以及被认为是最具生物相容性的金属。只要其表面被暴露在氧化性介质中，它就能够自发地形成稳定的惰性氧化物层。如果需要生物医学植入物具备更高的强度的话，那么更好的选择则是Ti6Al4V合金，该材料也会表现出良好的抗疲劳、耐腐蚀特性，而且比重比较低。

    此外，能够以粉末形式提供的其他生物相容性材料还有不锈钢316L和钴铬合金。而高度受控的金属3D打印环境(充满中性气体和限制氧气)可确保打印部件的高纯度，保留了期望的材料性能。

    2)更便宜的“一次性”定制金属植入物

    在制造定制化的植入物时，传统的方式往往特别费时和昂贵，而3D打印则就灵活的多，其资金需求被限定在一定范围，设计复杂性被减小，从而使个人定制得以实现。

    显而易见，定制产品会让病人更加舒服，恢复得更快。骨科医生可以通过自定义形状优化应力在骨骼上的分布，并提供更好的适应性，并消除了外科医生在手术之中进行手动处理的需要。失败的风险降低了，同时手术时间和总体成本也在降低。

    3)机械性能升级

    3D打印的部件与传统制造技术，如铸造，生产出来的部件相比，往往具有更好的机械性能。因为有的金属3D打印工艺会涉及到非常专业前沿的冶金学技术，能够生成独特的微观结构。据天工社所知，经过妥善处理，金属3D打印能够产生精制晶粒，这是因为热影响区域直接环绕着激光熔池，所以可以快速获得热能。此外，作为金属3D打印价值链的一部分，后处理中的热处理也可以进一步提高预成品的机械性能。

    其结果是，该部分可能因为厚度的稍稍减少而变得更轻，这降低了患者的不适感，而且不会牺牲其它属性。

    4)3D打印和矫形金属植入物之间的协同作用

    钛金属具有高弹性模量，容易导致植入物和骨头之间的弹性失配，并限制了这种材料的使用。一种低弹性杨氏模量有助于避免“应力屏蔽”(即由于植入物导致的骨骼正常应力的消失)，而“应力屏蔽”则会导致骨质密度的降低。

    由于金属3D打印技术能够指定构建对象的孔隙度，因此可以通过改变体积分率和多孔结构的尺寸分布来解决这个问题。事实上，多孔钛的弹性模量会随着孔径的增加而减小，而植入物可以通过量身定制具有类似人骨的机械性能。

    此外，传统上使用减材制造的金属植入物通常会在表面施加多孔表面涂层，以便于骨内生长和整个植入物的结合。而金属3D打印则能够将提供强度的致密承重结构与精确而互相连接的开放气孔诱导骨生长有机地结合在一起。

    最后一点，但同样重要的是，当骨科植入物需要固定的时候，金属3D打印的预成品部件的粗糙表面可以消除下游涂覆操作的需要，节省了时间和金钱。