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粉床熔融技術在醫療植入體制造中的應用

 閱讀次數:2820     發(fa)布時間:2016-11-25

增(zeng)材制造(zao)(zao)(zao)(zao)技(ji)術(shu)(shu)在生物醫療(liao)領域(yu)的(de)應用(yong)可(ke)(ke)分為(wei)四(si)個方(fang)面,分別是:無生物相容(rong)(rong)性的(de)醫療(liao)器械制造(zao)(zao)(zao)(zao);具備(bei)生物相容(rong)(rong)性但不(bu)(bu)可(ke)(ke)降(jiang)解(jie)的(de)永久植(zhi)入(ru)體制造(zao)(zao)(zao)(zao);具備(bei)生物相容(rong)(rong)性且可(ke)(ke)降(jiang)解(jie)的(de)組織工(gong)程支架的(de)制造(zao)(zao)(zao)(zao)和(he)細(xi)胞(bao)及(ji)其他細(xi)胞(bao)外基因制造(zao)(zao)(zao)(zao)。這(zhe)些不(bu)(bu)同領域(yu)可(ke)(ke)應用(yong)的(de)增(zeng)材制造(zao)(zao)(zao)(zao)方(fang)法包(bao)括(kuo):立體光刻、分層實體制造(zao)(zao)(zao)(zao)、擠出沉(chen)積成(cheng)型(xing)、粉床(chuang)燒結/熔(rong)融(rong)等等。本文(wen)在此主要闡(chan)述作為(wei)永久性植(zhi)入(ru)體的(de)——金屬植(zhi)入(ru)體的(de)制造(zao)(zao)(zao)(zao)過程。粉床(chuang)熔(rong)融(rong)技(ji)術(shu)(shu)(SLM、EBM)應用(yong)領域(yu)主要有航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)類工(gong)業領域(yu)及(ji)醫療(liao)植(zhi)入(ru)體,特別是永久植(zhi)入(ru)體制造(zao)(zao)(zao)(zao)。依(yi)托醫學掃(sao)描和(he)成(cheng)像技(ji)術(shu)(shu),增(zeng)材制造(zao)(zao)(zao)(zao)技(ji)術(shu)(shu)在醫療(liao)領域(yu)應用(yong)更加(jia)廣泛。那(nei)么在制備(bei)金屬生物植(zhi)入(ru)體時材料的(de)選用(yong)及(ji)設計過程有哪些要求呢?

 

一(yi)、植入體用金(jin)屬材料

骨(gu)科(ke)是金屬(shu)植(zhi)入(ru)物使用最多的(de)學(xue)科(ke),尤其(qi)以(yi)人工關節為主(zhu)。其(qi)中涉及的(de)常見的(de)金屬(shu)材料可用于金屬(shu)植(zhi)入(ru)體制備,包(bao)括:316/316L不銹鋼,Ti6Al4V,CoCr合金。

另外還(huan)有的(de)(de)(de)(de)新材料有:Mg合金——優點:優秀的(de)(de)(de)(de)比(bi)強度(du)和(he)比(bi)剛度(du)、良(liang)好的(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)物相容(rong)性、在(zai)生(sheng)(sheng)物體內可(ke)自動降解等(deng)特性;Ti-6Al-7Nb(TC20)——用Nb替(ti)代了有毒元素V,比(bi)Ti6Al4V更好的(de)(de)(de)(de)抗(kang)腐蝕性;鉭——尤(you)其是(shi)多孔鉭金屬高的(de)(de)(de)(de)孔隙率(lv)、低的(de)(de)(de)(de)硬度(du)和(he)優秀生(sheng)(sheng)物相容(rong)性,作為生(sheng)(sheng)物植入(ru)體材料具有極大潛(qian)力;以及Ni-Ti形狀記憶合金。

 

本文在此(ci)僅介(jie)紹(shao)常見材料:

① 316/316L不銹鋼

不銹鋼是最早的人體(ti)植入體(ti)材料(liao),特別(bie)是奧氏體(ti)不銹鋼具有較(jiao)(jiao)好(hao)的生(sheng)(sheng)物相(xiang)容性(xing),且價格(ge)低廉。常用(yong)于人工(gong)骨節或骨折區固定器等。其缺點在(zai)(zai)于在(zai)(zai)生(sheng)(sheng)理(li)環境中,不銹鋼有時會產生(sheng)(sheng)腐蝕等問題(ti)。較(jiao)(jiao)多研究在(zai)(zai)SLM方法制備316L植入體(ti)。

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②  CoCr合(he)金

CoCr合金作為(wei)鈷基材(cai)料代(dai)(dai)表,其抗腐蝕性及耐磨性能較不(bu)(bu)銹鋼都(dou)有(you)所提(ti)高(gao)(gao)。但其價(jia)格(ge)較高(gao)(gao)也是不(bu)(bu)得不(bu)(bu)提(ti)的缺(que)點。其主要作為(wei)關(guan)節、牙齒等替代(dai)(dai)材(cai)料。

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③  Ti6Al4V

彈性(xing)(xing)模量比不銹鋼及鈷基合金更接近骨(gu)(gu)質(zhi)。用于制備關節、胸骨(gu)(gu)、顱骨(gu)(gu)以及介入性(xing)(xing)心血管支(zhi)架(jia)等植入體(ti)。SLM、EBM方法制備該材料(liao)(liao)均(jun)有較多研究,兩種(zhong)方法制備材料(liao)(liao)組織不同(tong)(SLM多有馬氏體(ti)相,EBM多為α+β相)導致兩者力學性(xing)(xing)能的(de)差異。

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二、設計過程

粉(fen)床熔(rong)融技術(shu)的可定制(zhi)(zhi)(zhi)特點及可制(zhi)(zhi)(zhi)備與骨組織(zhi)相匹配的多孔結構特點,使其適合生物增材(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)造中永久植入(ru)體的制(zhi)(zhi)(zhi)備。

① 數(shu)據采集過(guo)程

可借助CT掃描、磁(ci)共(gong)振(zhen)成像(MRI)、X攝像技術采集病人特定植入(ru)體形(xing)貌(mao)模型。3D模型重建并使用(yong)三維軟(ruan)件進(jin)行圖形(xing)個性化設計,經magics等軟(ruan)件處理后,導入(ru)增材制造(zao)設備直接打印成型。

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②多孔結構的設計

骨(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)組(zu)織(zhi)可(ke)分為密致骨(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(皮質(zhi)骨(gu)(gu)(gu)(gu)(gu))和(he)松質(zhi)骨(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)(小(xiao)梁骨(gu)(gu)(gu)(gu)(gu))兩種(zhong),兩者區別在于(yu)孔(kong)隙度和(he)組(zu)織(zhi)不同(tong)。因此為了更精確(que)的(de)(de)模仿(fang)骨(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)質(zhi)屬性需(xu)要(yao)對(dui)孔(kong)隙度設(she)計。且這(zhe)種(zhong)孔(kong)隙結構(gou)必須(xu)相互關聯(lian),以(yi)確(que)保骨(gu)(gu)(gu)(gu)(gu)骼的(de)(de)生長(chang)和(he)細胞的(de)(de)遷移,同(tong)時也要(yao)考慮開孔(kong)率。目前植入(ru)體普遍(bian)的(de)(de)孔(kong)隙尺寸(cun)為400-600微米,孔(kong)隙率為75-85%。

多孔結構的孔徑、孔隙率及(ji)內部貫通(tong)性(xing)是決定骨材料植入后骨長入方式和數量(liang)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(jie)構(gou)。

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③植入體表面改性

為保(bao)證植(zhi)入體(ti)表面具有較(jiao)好(hao)的(de)(de)生(sheng)物(wu)相(xiang)容性(xing)、耐(nai)磨(mo)性(xing)及(ji)對組(zu)織生(sheng)長的(de)(de)誘導(dao)性(xing)還需要(yao)對多孔(kong)結構(gou)的(de)(de)表面進(jin)行化學處(chu)理或鍍膜處(chu)理。可采用(yong)的(de)(de)方法包括:熱噴(pen)涂、激光熔(rong)敷(fu)、離子(zi)濺射、噴(pen)砂法、電(dian)化學法等等。常用(yong)的(de)(de)耐(nai)磨(mo)表面涂層(ceng)TiN、TiO2及(ji)生(sheng)物(wu)活性(xing)涂層(ceng)。

 

三、發展與挑戰

①功能梯度結(jie)構、復合材(cai)料的研發(fa)

功(gong)能(neng)梯(ti)度(du)結構更符合生(sheng)物機械性能(neng)要求,且(qie)能(neng)減小(xiao)由于(yu)屬彈性模量(liang)過(guo)高,使在和不(bu)能(neng)很(hen)好的(de)(de)由植入(ru)體傳遞到相連骨(gu)組(zu)織而產生(sheng)的(de)(de)“應力(li)屏蔽”,同時提高了生(sheng)物相容性。這種梯(ti)度(du)結構包括材(cai)(cai)料(liao)成分的(de)(de)連續過(guo)渡和結構的(de)(de)連續過(guo)渡(見下圖多(duo)孔結構的(de)(de)連續過(guo)渡)。材(cai)(cai)料(liao)連續過(guo)渡舉例(li):例(li)人造牙(ya)齒根外表可(ke)用耐磨性優秀的(de)(de)羥基磷石灰陶瓷,內(nei)部可(ke)用高強度(du)鈦合金(jin)材(cai)(cai)料(liao)。

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復合(he)材(cai)料(liao)作(zuo)為(wei)金屬(shu)植(zhi)入(ru)體(ti)要求在(zai)單一(yi)結(jie)構中按(an)照不同(tong)需求在(zai)植(zhi)入(ru)體(ti)不同(tong)部(bu)分存在(zai)多(duo)復合(he)材(cai)料(liao)結(jie)構。而粉床熔融(rong)技術對此(ci)材(cai)料(liao)制(zhi)備過程和性能缺乏深入(ru)的研(yan)究。

②蜂窩復雜結構制造

蜂窩(wo)狀結(jie)構分(fen)為隨機性的(de)及非(fei)隨機性,后者層錯結(jie)構具有可重(zhong)復性。這種復雜結(jie)構制造過程難(nan)(nan)點在于粉(fen)末(mo)粘(zhan)著結(jie)構框架上去除困難(nan)(nan)。

 

四、案例

①鈷基合金(jin)人工膝關節

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② 生(sheng)物(wu)植入體制造技術(shu)是一個復(fu)雜(za)的新型技術(shu),涉及(ji)3D打印、生(sheng)物(wu)學、材料學等(deng)多學科知(zhi)識。小編在此(ci)僅對(dui)金(jin)屬增材制造在該(gai)領域應用的整體概況介紹。具體理論知(zhi)識及(ji)工(gong)藝細節還需參照(zhao)相關書籍(ji)、文獻。

 

注:文中數據及圖片均來自相關文獻。


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