透視3D打印-增材制造金屬生物材料的種類及發(fā)展現(xiàn)狀

魔猴君  行業(yè)資訊   1020天前

在骨科植入耗材市場(chǎng)快速發(fā)展的大趨勢(shì)下，3D打印骨科植入物的商業(yè)化也進(jìn)入了加速跑狀態(tài)。創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)型的骨科植入物制造商，通過(guò)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的研發(fā)在骨科植入物細(xì)分領(lǐng)域中打造自身的競(jìng)爭(zhēng)壁壘。而3D打印技術(shù)正是骨科植入物創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)力之一，深耕增材制造應(yīng)用的企業(yè)已建立起競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

在骨科植入物這個(gè)領(lǐng)域，有不同的材料可以選擇。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，當(dāng)前代表性的材料包括金屬、陶瓷、PEEK等。本期，將與網(wǎng)友一起就骨科領(lǐng)域的金屬生物材料的分類及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行深入的了解。

3D打印金屬生物材料

 鈦合金

鈦合金的生物相容性、高比強(qiáng)度、高耐腐蝕性、重量輕、3D打印過(guò)程中熔合缺陷較少；與其他一些合金（例如 Co-Cr）相比硬度和摩擦學(xué)性能較差，應(yīng)力屏蔽問(wèn)題（可以通過(guò)定義孔隙率來(lái)改善）；可應(yīng)用于許多金屬植入物，如關(guān)節(jié)、顱骨、牙科植入物等。

3D打印金屬生物材料-鈦合金

3D打印椎間融合器

據(jù)了解，鈦合金骨科植入物方面的最新進(jìn)展包括如下：

史賽克（Stryker）開(kāi)發(fā)了專有的 AMagine 增材制造技術(shù)，其多款植入物產(chǎn)品中都安裝了通過(guò)該技術(shù)生產(chǎn)的3D打印部件，例如：在全膝關(guān)節(jié)植入物Triathlon Tritanium 中，創(chuàng)新性的脛骨基板和金屬背髕骨組件均是通過(guò)AMagine增材制造技術(shù)和SOMA設(shè)計(jì)的。

史賽克非骨水泥膝關(guān)節(jié)假體中的3D打印基板

根據(jù)史賽克，Triathlon Tritanium 基板是Triathlon 非骨水泥型膝關(guān)節(jié)產(chǎn)品組合的最新技術(shù)演變。它提供高度多孔的金屬生物固定物，可為外科醫(yī)生和醫(yī)院提供高性能和高效的結(jié)果。

施樂(lè)輝( Smith+Nephew )宣布推出非骨水泥型3D打印全膝關(guān)節(jié)系統(tǒng)LEGION CONCELOC。

Smith施樂(lè)輝LEGION? CONCELOC?3D打印全膝關(guān)節(jié)系統(tǒng)

CONCELOC 先進(jìn)多孔鈦是一項(xiàng)獲得專利的專有 3D 打印多孔結(jié)構(gòu)技術(shù)，首次用于施樂(lè)輝2016 年推出的領(lǐng)先 REDAPT?Revision Hip System。CONCELOC 在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建，并通過(guò) 3D 打印增材制造來(lái)優(yōu)化其多孔結(jié)構(gòu)促進(jìn)骨長(zhǎng)入的結(jié)構(gòu)。

2021年9月30日，由四川大學(xué)華西醫(yī)院周宗科教授牽頭主研，嘉思特華劍醫(yī)療器材（天津）有限公司設(shè)計(jì)制造的3D打印分區(qū)骨小梁生物型膝關(guān)節(jié)假體在四川大學(xué)華西醫(yī)院成功植入。該植入物在術(shù)中無(wú)需使用骨水泥，通過(guò)機(jī)械固定，即假體與骨組織的緊密結(jié)合，獲得假體的初始穩(wěn)定性，遠(yuǎn)期骨組織長(zhǎng)入假體表面的微孔內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)由機(jī)械固定向生物內(nèi)鎖固定的轉(zhuǎn)化，最終經(jīng)過(guò)骨整合作用獲得良好固定，預(yù)期能夠獲得更長(zhǎng)的假體壽命。

臨床方面，2020年1月7日，上海九院骨科郝永強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)，為患者樊女士成功實(shí)施了右肘腫瘤精準(zhǔn)切除和植入了為她“量身定制”的3D打印肘部（肱骨遠(yuǎn)端）個(gè)性化重建假體的手術(shù)?！八饺硕ㄖ啤钡拟伜辖鹑斯ぜ袤w幫患者如愿地保住了完整右上肢，且肘關(guān)節(jié)功能大為改善。此臺(tái)手術(shù)不僅是1月1日施行《定制式醫(yī)療器械監(jiān)督管理規(guī)定（試行）》后完成的第一臺(tái)定制式醫(yī)療器械植入手術(shù)，據(jù)悉，此前郝永強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)在戴尅戎院士帶領(lǐng)下已為近200名患者實(shí)施了3D打印個(gè)性化假體重建手術(shù)。

不過(guò)即使是最先進(jìn)的鈦植入物，其使用壽命也很有限，植入物會(huì)失去與骨骼的附著力，從而導(dǎo)致疼痛并限制患者的活動(dòng)能力。

3D打印植入物多孔表面的模量低于常規(guī)植入物，所以金屬植材料和骨骼之間的剛度差異會(huì)減小，這使得植入物與骨骼之間能夠更好的“貼合”，并實(shí)現(xiàn)有效的骨整合。

應(yīng)力屏蔽是指當(dāng)兩種模量不同的材料放在一起使用時(shí)，模量大的材料承擔(dān)更大的應(yīng)力。以常見(jiàn)的植入物制造材料鈦合金為例，當(dāng)該材料被移植入體內(nèi)，由于鈦合金的模量遠(yuǎn)大于人體骨骼的模量，所以鈦合金承擔(dān)更多的應(yīng)力作用，這將不利于新骨的生長(zhǎng)。

制造商在不斷探索出各種策略來(lái)延長(zhǎng)植入物的壽命，包括使用不同的材料，尤其是具有模仿骨骼特性，表面功能化的材料，以及輸送活性劑以促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)和抵御感染的材料。因此，理想的植入物需要具有多種功能才能持續(xù)一生。

鈷鉻合金

鈷鉻合金是另一種仍然需要用于植入物的“主力”合金，特別是用于股骨膝關(guān)節(jié)部件和雙活動(dòng)髖關(guān)節(jié)杯，目前臨床上仍然沒(méi)有其他材料可以反映其特性。不過(guò)雖然鈷鉻合金和 Ti64 都非常適合通過(guò)L-PBF和EBM工藝來(lái)加工，但并非所有患者都適合鈷鉻合金植入物。

據(jù)了解，鈷鉻合金具有高的生物相容、高硬度、耐磨和耐腐蝕。不過(guò)大多數(shù) Co-Cr 合金都包含會(huì)引起過(guò)敏反應(yīng)的 Ni，主要作為短期植入物、牙科替代物和過(guò)度使用的植入物，例如髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)替代品。

最近的發(fā)展方面，據(jù)了解，國(guó)際上SLM Solutions 針對(duì)髖臼杯、椎間融合器這兩種3D打印植入物重點(diǎn)量產(chǎn)領(lǐng)域，開(kāi)展了研究與應(yīng)用積累。例如，針對(duì)髖臼杯增材制造開(kāi)發(fā)了60微米的成熟3D打印工藝參數(shù)，并可以實(shí)現(xiàn)髖臼杯內(nèi)部無(wú)支撐打印，減少了后處理的工作量。

鈷鉻合金膝關(guān)節(jié)3D打印植入物。來(lái)源：SLM Solutions

在膝關(guān)節(jié)應(yīng)用領(lǐng)域，SLM Solutions在30微米成熟工藝的基礎(chǔ)上，不斷開(kāi)發(fā)鈷鉻合金60微米參數(shù)工藝。

 鉭合金

據(jù)了解，鉭合金具有良好的生物相容性、高耐腐蝕性、高強(qiáng)度和彈性模量。不過(guò)在增材制造方面，具有一定程度的挑戰(zhàn)，包括高成本和密度、應(yīng)力屏蔽問(wèn)題（與 Ti 相比具有更高的彈性模量?？傮w來(lái)說(shuō)，鉭合金適合用作小型植入物部件、多孔植入物、用于增強(qiáng)骨整合特性的植入物涂層。

3D打印多孔鉭金屬已在脊柱、髖關(guān)節(jié)和肢體靜脈曲張手術(shù)中進(jìn)行了臨床應(yīng)用，并取得了良好的臨床療效。3D打印多孔鉭金屬不但能實(shí)現(xiàn)仿生骨小梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造，還具有良好的細(xì)胞黏附性和生物相容性。同時(shí)，這種材料的彈性模量和強(qiáng)度適合局部環(huán)境。臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3D打印多孔鉭金屬能與骨骼緊密結(jié)合，術(shù)后功能恢復(fù)的效果令人滿意。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和臨床結(jié)果均證實(shí)3D打印能精確控制尺寸，并具有良好的療效。

在臨床方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，2021年7月，在陜西省重大智能制造專項(xiàng)的支持下，空軍軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院骨科首次將鉭金屬3D打印的長(zhǎng)節(jié)段人工椎體，運(yùn)用于脊柱惡性腫瘤整塊切除后的缺損重建。

鉭金屬3D打印椎體外觀圖

在國(guó)產(chǎn)高精度電子束3D打印裝備上，解決了高熔點(diǎn)鉭金屬精準(zhǔn)熔化的難題，快速高效打印出個(gè)體化鉭金屬假體，為骨缺損增材制造中的異形性、骨長(zhǎng)入和力學(xué)問(wèn)題提供了解決方法。相信在不久的將來(lái)，個(gè)體化和組配式鉭金屬3D打印假體能夠在經(jīng)濟(jì)和普適性方面得以大幅提高，在為廣大患者解決病痛的同時(shí)，為骨科硬組織修復(fù)重建貢獻(xiàn)解決方案。

不銹鋼

另一種正在使用的植入材料是用于骨板（以及手術(shù)工具）的不銹鋼。然而，雖然可以使用 EBM 創(chuàng)建這些植入物，但需要執(zhí)行額外的表面處理步驟以獲得合適的產(chǎn)品。因此，目前不銹鋼通常通過(guò)選區(qū)金屬激光熔化金屬3D打印技術(shù)來(lái)加工。

據(jù)了解，不銹鋼材料具有可接受的生物相容性、高拉伸強(qiáng)度和彈性模量、低制造成本、可用性、韌性、更高的熱導(dǎo)率，因此與鈦合金相比，表面光潔度更好。不過(guò)由于由于長(zhǎng)期降解和合金元素的釋放，潛在的炎癥反應(yīng)。Fe 的釋放會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生不利影響，不銹鋼主要用于短期植入物和螺釘以及手術(shù)工具。以及作為牙科和整形外科植入物以及手術(shù)器械的應(yīng)用。

 鎂合金

鎂及其合金被譽(yù)為革命性的金屬生物材料，受到了廣泛研究和臨床探索。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，鎂基合金具有可接受的生物相容性、高拉伸強(qiáng)度和彈性模量、低制造成本、可用性、韌性、更高的熱導(dǎo)率，因此與鈦合金相比，表面光潔度更好。不過(guò)鎂基合金由于長(zhǎng)期降解和合金元素的釋放，潛在的炎癥反應(yīng)。Fe 的釋放會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生不利影響，鎂基合金主要用于短期植入物和螺釘以及手術(shù)工具，以及作為牙科和整形外科植入物以及手術(shù)器械的應(yīng)用。

在科研進(jìn)展方面，《自然》于2017年首次發(fā)表的超納米雙相鎂合金是一種具有極強(qiáng)顆粒崩解性且能生物降解的金屬；它的應(yīng)用不僅推進(jìn)了3D打印的發(fā)展，而且開(kāi)啟了4D打印的機(jī)遇之門(mén)。

不過(guò)鎂合金的增材制造加工過(guò)程中充滿挑戰(zhàn)，鎂合金在3D打印過(guò)程會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的粉體飛濺，這是由于鎂合金蒸發(fā)溫度低且蒸汽壓高，這種現(xiàn)象與鋼、鈦或鋁合金的AM過(guò)程有很大的區(qū)別。粉體飛濺會(huì)顯著降低鎂合金增材制造過(guò)程的穩(wěn)定性，因?yàn)橐恍╂V粉會(huì)沿掃描路徑被蒸汽移除，在隨后的掃描道次中則很可能在此處產(chǎn)生缺陷，因此在鎂合金AM過(guò)程中必須采取補(bǔ)充粉體的策略。

SLM制備鎂合金的主要目標(biāo)是得到高的致密度以及避免可能的缺陷，其中最常用的方式是調(diào)整過(guò)程相關(guān)參數(shù)（即激光功率、掃描速度、掃描線寬等）。通過(guò)提高激光掃描速度或降低激光功率可以降低粉體飛濺；此外，鎂合金的化學(xué)成分也應(yīng)根據(jù)其不同的裂紋敏感性進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼邕x。同時(shí)還應(yīng)提高3D打印時(shí)基板的初始溫度，以縮小基板與金屬粉末之間的溫度梯度，從而進(jìn)一步避免熱裂紋的形成。

除了通過(guò)SLM基于粉末床的金屬3D打印技術(shù)，科研機(jī)構(gòu)在探索通過(guò)粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)制造多孔鎂基植入物的耐腐蝕性。延伸閱讀請(qǐng)參考3D科學(xué)谷發(fā)布的《專欄 l 粘結(jié)劑噴射3D打印多孔鎂基植入物的耐腐蝕性研究》。

智能金屬

3D打印的由形狀記憶合金構(gòu)成的血管支架等智能器械已經(jīng)進(jìn)入了研發(fā)（R&D）和商業(yè)化初期階段。

據(jù)解，智能金屬具有高的生物相容性，在施加外部刺激后恢復(fù)原始形狀，接近身體轉(zhuǎn)變溫度，接近骨彈性模量。不過(guò)由于腐蝕而釋放 Ni 離子可能會(huì)導(dǎo)致安全問(wèn)題，可能無(wú)法長(zhǎng)期精確控制成分， AM 增材制造工藝加工參數(shù)設(shè)置存在挑戰(zhàn)，以及后處理?xiàng)l件存在挑戰(zhàn)。對(duì)于確保形狀記憶效應(yīng)和可打印性是必要的。智能金屬可用于心血管支架、正畸和牙套。

參考資料：增材制造可降解鎂合金植入物面臨的挑戰(zhàn)及其對(duì)策 / 中國(guó)工程院院刊《Engineering》2020年第11期

來(lái)源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/shichangyanjiu/41731.html