增(zeng)材制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)技(ji)術(shu)在生(sheng)物(wu)醫(yi)療領(ling)(ling)(ling)域(yu)的應(ying)(ying)用(yong)可分(fen)為(wei)四(si)個方(fang)面，分(fen)別(bie)是：無生(sheng)物(wu)相(xiang)容(rong)性(xing)(xing)的醫(yi)療器械制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)；具備(bei)生(sheng)物(wu)相(xiang)容(rong)性(xing)(xing)但不(bu)可降(jiang)解的永久(jiu)植(zhi)入體(ti)(ti)制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)；具備(bei)生(sheng)物(wu)相(xiang)容(rong)性(xing)(xing)且可降(jiang)解的組織工程(cheng)支(zhi)架的制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)和細胞及(ji)其他細胞外基因制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)。這些(xie)不(bu)同領(ling)(ling)(ling)域(yu)可應(ying)(ying)用(yong)的增(zeng)材制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)方(fang)法包括(kuo)：立(li)體(ti)(ti)光(guang)刻、分(fen)層實體(ti)(ti)制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)、擠(ji)出(chu)沉積(ji)成型、粉床燒結/熔(rong)融(rong)等等。本文在此主(zhu)要闡述作為(wei)永久(jiu)性(xing)(xing)植(zhi)入體(ti)(ti)的——金(jin)屬植(zhi)入體(ti)(ti)的制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)過(guo)程(cheng)。粉床熔(rong)融(rong)技(ji)術(shu)(SLM、EBM)應(ying)(ying)用(yong)領(ling)(ling)(ling)域(yu)主(zhu)要有航(hang)空航(hang)天(tian)類工業領(ling)(ling)(ling)域(yu)及(ji)醫(yi)療植(zhi)入體(ti)(ti)，特別(bie)是永久(jiu)植(zhi)入體(ti)(ti)制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)。依托醫(yi)學掃描和成像技(ji)術(shu)，增(zeng)材制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)技(ji)術(shu)在醫(yi)療領(ling)(ling)(ling)域(yu)應(ying)(ying)用(yong)更加廣(guang)泛(fan)。那(nei)么在制(zhi)(zhi)備(bei)金(jin)屬生(sheng)物(wu)植(zhi)入體(ti)(ti)時材料的選用(yong)及(ji)設計過(guo)程(cheng)有哪些(xie)要求呢(ni)？

一、植(zhi)入體用金屬材料

骨科是金屬(shu)植入物使用最(zui)多的學科，尤其(qi)以人(ren)工(gong)關節為(wei)主。其(qi)中涉及的常(chang)見的金屬(shu)材(cai)料可用于金屬(shu)植入體制(zhi)備，包括：316/316L不銹(xiu)鋼(gang)，Ti6Al4V，CoCr合金。

另(ling)外(wai)還有的(de)新材料(liao)(liao)有：Mg合金(jin)——優(you)點：優(you)秀的(de)比強度和(he)比剛度、良好(hao)的(de)生物(wu)(wu)相容(rong)性(xing)(xing)、在生物(wu)(wu)體(ti)(ti)內可自(zi)動降解(jie)等特(te)性(xing)(xing)；Ti-6Al-7Nb(TC20)——用(yong)Nb替代(dai)了有毒元素V，比Ti6Al4V更好(hao)的(de)抗腐蝕性(xing)(xing)；鉭——尤其是(shi)多孔鉭金(jin)屬高的(de)孔隙率、低的(de)硬度和(he)優(you)秀生物(wu)(wu)相容(rong)性(xing)(xing)，作為(wei)生物(wu)(wu)植入體(ti)(ti)材料(liao)(liao)具有極大潛(qian)力；以(yi)及Ni-Ti形狀記憶合金(jin)。

本文(wen)在此僅介紹常見材料(liao)：

① 316/316L不銹鋼

不銹鋼是最(zui)早的人體植(zhi)入體材料，特別是奧(ao)氏體不銹鋼具有較(jiao)好的生物相容性，且(qie)價格低廉(lian)。常用于(yu)人工骨節(jie)或骨折區(qu)固定(ding)器等。其缺點在(zai)于(yu)在(zai)生理環境中，不銹鋼有時(shi)會產生腐蝕等問題。較(jiao)多研究(jiu)在(zai)SLM方(fang)法(fa)制備316L植(zhi)入體。

②  CoCr合金

CoCr合金作為鈷基材料(liao)代表，其(qi)抗腐蝕性及耐磨性能(neng)較不(bu)(bu)銹鋼(gang)都有所(suo)提(ti)高(gao)。但(dan)其(qi)價格較高(gao)也是(shi)不(bu)(bu)得不(bu)(bu)提(ti)的缺點。其(qi)主要(yao)作為關節、牙齒等替(ti)代材料(liao)。

③  Ti6Al4V

彈性模(mo)量比(bi)不銹鋼及鈷基(ji)合金更接近(jin)骨質。用于制(zhi)備(bei)關節、胸骨、顱骨以及介(jie)入(ru)性心血管(guan)支架等(deng)植入(ru)體。SLM、EBM方法制(zhi)備(bei)該(gai)材料均有較多研究，兩種方法制(zhi)備(bei)材料組織不同(SLM多有馬(ma)氏體相(xiang)，EBM多為α+β相(xiang))導(dao)致兩者力學性能的差異。

二、設計過程

粉(fen)床熔(rong)融(rong)技術的可定制特點及(ji)可制備與(yu)骨(gu)組織相匹配(pei)的多(duo)孔結構特點，使(shi)其適合生物增(zeng)材制造(zao)中永久植入體的制備。

① 數據(ju)采集過(guo)程

可借(jie)助CT掃描、磁(ci)共(gong)振成像(xiang)(MRI)、X攝像(xiang)技術采集病人特定植入體形貌模(mo)型(xing)。3D模(mo)型(xing)重建并使用三(san)維軟件進行(xing)圖形個性(xing)化(hua)設計，經magics等軟件處(chu)理(li)后，導入增(zeng)材制造設備直接打印(yin)成型(xing)。

②多孔結構的設計

骨(gu)(gu)(gu)(gu)組(zu)織可分為(wei)密致骨(gu)(gu)(gu)(gu)(皮質骨(gu)(gu)(gu)(gu))和(he)松質骨(gu)(gu)(gu)(gu)(小(xiao)梁骨(gu)(gu)(gu)(gu))兩(liang)種，兩(liang)者(zhe)區別(bie)在于孔(kong)(kong)(kong)隙度和(he)組(zu)織不同(tong)。因此為(wei)了更精確(que)的(de)模(mo)仿骨(gu)(gu)(gu)(gu)質屬性需要(yao)對(dui)孔(kong)(kong)(kong)隙度設計。且這種孔(kong)(kong)(kong)隙結構必須相互關聯，以確(que)保(bao)骨(gu)(gu)(gu)(gu)骼的(de)生長和(he)細(xi)胞的(de)遷移，同(tong)時(shi)也要(yao)考慮(lv)開(kai)孔(kong)(kong)(kong)率。目(mu)前植(zhi)入體普遍的(de)孔(kong)(kong)(kong)隙尺寸(cun)為(wei)400-600微米，孔(kong)(kong)(kong)隙率為(wei)75-85%。

多孔(kong)結(jie)(jie)構的孔(kong)徑、孔(kong)隙率及內部貫通性是決定骨材(cai)料植入后骨長入方式和數量(liang)的決定因素。L.E.Murr提出(chu)的四種多孔(kong)結(jie)(jie)構模型，如下(xia)圖(tu)：

Dongjin Yoo 提出了生物(wu)多(duo)孔(kong)結構。

③植入體表面改性

為保(bao)證植入體表面(mian)具有較好的(de)生(sheng)物(wu)相容(rong)性(xing)(xing)、耐磨性(xing)(xing)及對(dui)組織生(sheng)長(chang)的(de)誘導(dao)性(xing)(xing)還需要對(dui)多孔結構的(de)表面(mian)進行化學處理或鍍膜處理。可采用(yong)的(de)方法包括(kuo)：熱噴(pen)涂(tu)、激光熔敷、離子(zi)濺射、噴(pen)砂法、電化學法等等。常(chang)用(yong)的(de)耐磨表面(mian)涂(tu)層TiN、TiO2及生(sheng)物(wu)活性(xing)(xing)涂(tu)層。

三、發展與挑戰

①功能梯度結構、復合材(cai)料的研(yan)發

功(gong)能(neng)梯(ti)度結(jie)構更(geng)符(fu)合生(sheng)物機械(xie)性(xing)能(neng)要求，且能(neng)減小由于屬彈(dan)性(xing)模量過高，使在(zai)和不能(neng)很(hen)好的(de)由植入體傳(chuan)遞到相連骨組織而產(chan)生(sheng)的(de)“應力屏蔽(bi)”，同時(shi)提高了生(sheng)物相容性(xing)。這種(zhong)梯(ti)度結(jie)構包括(kuo)材料(liao)成分的(de)連續過渡和結(jie)構的(de)連續過渡(見(jian)下圖(tu)多(duo)孔結(jie)構的(de)連續過渡)。材料(liao)連續過渡舉(ju)例(li)(li)：例(li)(li)人造牙齒根外表可用(yong)耐磨(mo)性(xing)優秀(xiu)的(de)羥基磷(lin)石(shi)灰陶瓷，內部可用(yong)高強度鈦合金材料(liao)。

復合材料作為金屬(shu)植入(ru)(ru)體要求在(zai)單一結構中按(an)照(zhao)不(bu)(bu)同(tong)需求在(zai)植入(ru)(ru)體不(bu)(bu)同(tong)部(bu)分存在(zai)多復合材料結構。而粉床熔融技(ji)術對此(ci)材料制備過(guo)程和性能缺乏(fa)深入(ru)(ru)的研究(jiu)。

②蜂窩復雜結構制造

蜂窩(wo)狀結構(gou)分為隨(sui)機(ji)性(xing)的(de)及(ji)非隨(sui)機(ji)性(xing)，后者層錯(cuo)結構(gou)具(ju)有可重復性(xing)。這種復雜結構(gou)制造過程難點在于(yu)粉末粘著結構(gou)框架(jia)上(shang)去除困難。

四、案例

①鈷基(ji)合金人(ren)工膝(xi)關(guan)節

② 生(sheng)物植入體制造技(ji)術(shu)是一個復雜的新(xin)型(xing)技(ji)術(shu)，涉及3D打印、生(sheng)物學、材料學等多學科知識。小編在此僅對(dui)金屬(shu)增材制造在該領(ling)域應用(yong)的整體概況介紹。具體理論知識及工藝(yi)細節還需參(can)照相(xiang)關書籍、文獻。

注：文(wen)中數據(ju)及圖片均來(lai)自相關文(wen)獻。