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   1013天前

在骨科植入耗材市場快速發(fā)展的大趨勢下，3D打印骨科植入物的商業(yè)化也進入了加速跑狀態(tài)。創(chuàng)新驅(qū)動型的骨科植入物制造商，通過創(chuàng)新驅(qū)動的研發(fā)在骨科植入物細分領(lǐng)域中打造自身的競爭壁壘。而3D打印技術(shù)正是骨科植入物創(chuàng)新的驅(qū)動力之一，深耕增材制造應(yīng)用的企業(yè)已建立起競爭優(yōu)勢。

在骨科植入物這個領(lǐng)域，有不同的材料可以選擇。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，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、高比強度、高耐腐蝕性、重量輕、3D打印過程中熔合缺陷較少；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)力屏蔽問題（可以通過定義孔隙率來改善）；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展包括如下：

史賽克（Stryker）開發(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AMagine增材制造技術(shù)和SOMA設(shè)計的。

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

CONCELOC 先進多孔鈦是一項獲得專利的專有 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 3D 打印增材制造來優(yōu)化其多孔結(jié)構(gòu)促進骨長入的結(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)中無需使用骨水泥，通過機械固定，即假體與骨組織的緊密結(jié)合，獲得假體的初始穩(wěn)定性，遠期骨組織長入假體表面的微孔內(nèi)部，實現(xiàn)由機械固定向生物內(nèi)鎖固定的轉(zhuǎn)化，最終經(jīng)過骨整合作用獲得良好固定，預(yù)期能夠獲得更長的假體壽命。

臨床方面，2020年1月7日，上海九院骨科郝永強教授團隊利用3D打印技術(shù)，為患者樊女士成功實施了右肘腫瘤精準切除和植入了為她“量身定制”的3D打印肘部（肱骨遠端）個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）》后完成的第一臺定制式醫(yī)療器械植入手術(shù)，據(jù)悉，此前郝永強教授團隊在戴尅戎院士帶領(lǐng)下已為近200名患者實施了3D打印個性化假體重建手術(shù)。

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

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減小，這使得植入物與骨骼之間能夠更好的“貼合”，并實現(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，模量大的材料承擔(dān)更大的應(yīng)力。以常見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。

制造商在不斷探索出各種策略來延長植入物的壽命，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骨骼生長和抵御感染的材料。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)部件和雙活動髖關(guān)節(jié)杯，目前臨床上仍然沒有其他材料可以反映其特性。不過雖然鈷鉻合金和 Ti64 都非常適合通過L-PBF和EBM工藝來加工，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。不過大多數(shù) Co-Cr 合金都包含會引起過敏反應(yīng)的 Ni，主要作為短期植入物、牙科替代物和過度使用的植入物，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，國際上SLM Solutions 針對髖臼杯、椎間融合器這兩種3D打印植入物重點量產(chǎn)領(lǐng)域，開展了研究與應(yīng)用積累。例如，針對髖臼杯增材制造開發(fā)了60微米的成熟3D打印工藝參數(shù)，并可以實現(xiàn)髖臼杯內(nèi)部無支撐打印，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、高強度和彈性模量。不過在增材制造方面，具有一定程度的挑戰(zhàn)，包括高成本和密度、應(yīng)力屏蔽問題（與 Ti 相比具有更高的彈性模量?？傮w來說，鉭合金適合用作小型植入物部件、多孔植入物、用于增強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現(xiàn)仿生骨小梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造，還具有良好的細胞黏附性和生物相容性。同時，這種材料的彈性模量和強度適合局部環(huán)境。臨床實驗結(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。實驗結(jié)果和臨床結(jié)果均證實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)谷的市場觀察，2021年7月，在陜西省重大智能制造專項的支持下，空軍軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院骨科首次將鉭金屬3D打印的長節(jié)段人工椎體，運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

在國產(chǎn)高精度電子束3D打印裝備上，解決了高熔點鉭金屬精準熔化的難題，快速高效打印出個體化鉭金屬假體，為骨缺損增材制造中的異形性、骨長入和力學(xué)問題提供了解決方法。相信在不久的將來，個體化和組配式鉭金屬3D打印假體能夠在經(jīng)濟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，為骨科硬組織修復(fù)重建貢獻解決方案。

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選區(qū)金屬激光熔化金屬3D打印技術(shù)來加工。

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。不過由于由于長期降解和合金元素的釋放，潛在的炎癥反應(yīng)。Fe 的釋放會對細胞產(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)谷的市場研究，鎂基合金具有可接受的生物相容性、高拉伸強度和彈性模量、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。不過鎂基合金由于長期降解和合金元素的釋放，潛在的炎癥反應(yīng)。Fe 的釋放會對細胞產(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顆粒崩解性且能生物降解的金屬；它的應(yīng)用不僅推進了3D打印的發(fā)展，而且開啟了4D打印的機遇之門。

不過鎂合金的增材制造加工過程中充滿挑戰(zhàn)，鎂合金在3D打印過程會產(chǎn)生嚴重的粉體飛濺，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過程有很大的區(qū)別。粉體飛濺會顯著降低鎂合金增材制造過程的穩(wěn)定性，因為一些鎂粉會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過程中必須采取補充粉體的策略。

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)整過程相關(guān)參數(shù)（即激光功率、掃描速度、掃描線寬等）。通過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行適當(dāng)?shù)恼邕x。同時還應(yīng)提高3D打印時基板的初始溫度，以縮小基板與金屬粉末之間的溫度梯度，從而進一步避免熱裂紋的形成。

除了通過SLM基于粉末床的金屬3D打印技術(shù)，科研機構(gòu)在探索通過粘結(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。不過由于腐蝕而釋放 Ni 離子可能會導(dǎo)致安全問題，可能無法長期精確控制成分， AM 增材制造工藝加工參數(shù)設(shè)置存在挑戰(zhàn)，以及后處理條件存在挑戰(zhàn)。對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)及其對策 / 中國工程院院刊《Engineering》2020年第11期

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/shichangyanjiu/41731.html