增材(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)技術(shu)在生(sheng)(sheng)物醫(yi)(yi)療領域(yu)(yu)的(de)(de)(de)(de)應(ying)用可(ke)分(fen)為四個方(fang)面，分(fen)別(bie)是(shi)：無生(sheng)(sheng)物相(xiang)容(rong)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)醫(yi)(yi)療器械制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)；具(ju)備(bei)生(sheng)(sheng)物相(xiang)容(rong)性(xing)(xing)但不可(ke)降解的(de)(de)(de)(de)永(yong)(yong)久(jiu)植入(ru)(ru)體(ti)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)；具(ju)備(bei)生(sheng)(sheng)物相(xiang)容(rong)性(xing)(xing)且可(ke)降解的(de)(de)(de)(de)組織工程(cheng)支架的(de)(de)(de)(de)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)和(he)細胞及其他細胞外基因制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)。這些不同(tong)領域(yu)(yu)可(ke)應(ying)用的(de)(de)(de)(de)增材(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)方(fang)法包括(kuo)：立體(ti)光刻、分(fen)層實(shi)體(ti)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)、擠(ji)出沉積成(cheng)型、粉(fen)床燒結(jie)/熔融等(deng)等(deng)。本文在此主要(yao)闡述(shu)作為永(yong)(yong)久(jiu)性(xing)(xing)植入(ru)(ru)體(ti)的(de)(de)(de)(de)——金(jin)屬植入(ru)(ru)體(ti)的(de)(de)(de)(de)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)過程(cheng)。粉(fen)床熔融技術(shu)(SLM、EBM)應(ying)用領域(yu)(yu)主要(yao)有航空(kong)航天類工業領域(yu)(yu)及醫(yi)(yi)療植入(ru)(ru)體(ti)，特(te)別(bie)是(shi)永(yong)(yong)久(jiu)植入(ru)(ru)體(ti)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)。依托醫(yi)(yi)學掃(sao)描(miao)和(he)成(cheng)像技術(shu)，增材(cai)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)技術(shu)在醫(yi)(yi)療領域(yu)(yu)應(ying)用更加(jia)廣泛。那么(me)在制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)金(jin)屬生(sheng)(sheng)物植入(ru)(ru)體(ti)時材(cai)料的(de)(de)(de)(de)選(xuan)用及設(she)計過程(cheng)有哪些要(yao)求(qiu)呢？

一、植入(ru)體用金屬材(cai)料

骨科是金(jin)(jin)屬植(zhi)入物使用(yong)最多的(de)學(xue)科，尤其(qi)以人(ren)工(gong)關節為主。其(qi)中涉(she)及(ji)的(de)常見(jian)的(de)金(jin)(jin)屬材料可用(yong)于金(jin)(jin)屬植(zhi)入體制備，包括(kuo)：316/316L不銹鋼(gang)，Ti6Al4V，CoCr合金(jin)(jin)。

另外還有的(de)(de)(de)新(xin)材料(liao)(liao)有：Mg合金(jin)——優點：優秀(xiu)的(de)(de)(de)比強度和比剛度、良好(hao)的(de)(de)(de)生物(wu)(wu)相容性(xing)(xing)、在生物(wu)(wu)體(ti)內可(ke)自動降解等特(te)性(xing)(xing)；Ti-6Al-7Nb(TC20)——用Nb替代(dai)了有毒(du)元素V，比Ti6Al4V更好(hao)的(de)(de)(de)抗腐蝕性(xing)(xing)；鉭——尤(you)其(qi)是多孔鉭金(jin)屬高的(de)(de)(de)孔隙率、低的(de)(de)(de)硬度和優秀(xiu)生物(wu)(wu)相容性(xing)(xing)，作(zuo)為生物(wu)(wu)植入體(ti)材料(liao)(liao)具有極大潛力；以及Ni-Ti形狀(zhuang)記憶合金(jin)。

本文在(zai)此僅(jin)介紹常(chang)見材料(liao)：

① 316/316L不銹鋼

不銹鋼是(shi)最(zui)早的人(ren)體(ti)(ti)植入體(ti)(ti)材料，特別是(shi)奧氏體(ti)(ti)不銹鋼具有(you)較好的生(sheng)(sheng)物相容性，且(qie)價格低廉。常用于(yu)人(ren)工骨(gu)節或骨(gu)折(zhe)區固定器等。其缺(que)點在(zai)(zai)于(yu)在(zai)(zai)生(sheng)(sheng)理環(huan)境中(zhong)，不銹鋼有(you)時會(hui)產生(sheng)(sheng)腐(fu)蝕等問題。較多研(yan)究在(zai)(zai)SLM方(fang)法制備316L植入體(ti)(ti)。

②  CoCr合金

CoCr合金作為鈷(gu)基材料代(dai)(dai)表，其(qi)抗腐蝕性及耐磨(mo)性能(neng)較(jiao)不(bu)(bu)銹鋼都有(you)所提高。但其(qi)價格較(jiao)高也是不(bu)(bu)得不(bu)(bu)提的缺(que)點。其(qi)主要作為關節、牙齒等(deng)替(ti)代(dai)(dai)材料。

③  Ti6Al4V

彈性(xing)模(mo)量比不銹鋼及鈷基合金更接近骨質。用于(yu)制(zhi)備關節(jie)、胸骨、顱骨以(yi)及介入性(xing)心血管支(zhi)架(jia)等(deng)植入體。SLM、EBM方(fang)法制(zhi)備該材料(liao)均有(you)較多研(yan)究，兩種方(fang)法制(zhi)備材料(liao)組織不同(SLM多有(you)馬氏體相，EBM多為α+β相)導致兩者力學性(xing)能的差(cha)異。

二、設計過程

粉床熔融技(ji)術的(de)可(ke)定制(zhi)特點及可(ke)制(zhi)備(bei)(bei)與骨(gu)組織相匹配的(de)多孔結(jie)構特點，使其適合生(sheng)物(wu)增材(cai)制(zhi)造中永(yong)久植(zhi)入體的(de)制(zhi)備(bei)(bei)。

① 數(shu)據采集(ji)過程

可借助CT掃描、磁共振成像(MRI)、X攝(she)像技術采集病人特定植入(ru)體形貌模型。3D模型重建并使(shi)用三維(wei)軟件進行圖形個性化設計，經magics等軟件處理后，導入(ru)增材制造設備直(zhi)接(jie)打印成型。

②多孔結構的設計

骨(gu)組(zu)織可分為密致(zhi)骨(gu)(皮(pi)質(zhi)(zhi)骨(gu))和(he)松質(zhi)(zhi)骨(gu)(小梁(liang)骨(gu))兩(liang)種(zhong)，兩(liang)者區別在于孔(kong)隙(xi)度和(he)組(zu)織不同。因此為了(le)更精確的(de)模仿骨(gu)質(zhi)(zhi)屬性需要對孔(kong)隙(xi)度設計。且這種(zhong)孔(kong)隙(xi)結構(gou)必(bi)須相(xiang)互關聯，以確保骨(gu)骼的(de)生(sheng)長和(he)細(xi)胞的(de)遷(qian)移，同時也(ye)要考慮(lv)開孔(kong)率。目前植入體普(pu)遍的(de)孔(kong)隙(xi)尺寸為400-600微米，孔(kong)隙(xi)率為75-85%。

多孔(kong)結(jie)(jie)構的(de)孔(kong)徑、孔(kong)隙率及內部(bu)貫通(tong)性(xing)是(shi)決(jue)定骨(gu)材料植入(ru)后骨(gu)長入(ru)方式和(he)數量的(de)決(jue)定因素。L.E.Murr提出的(de)四(si)種多孔(kong)結(jie)(jie)構模型，如下圖：

Dongjin Yoo 提出了生物多(duo)孔結構(gou)。

③植入體表面改性

為(wei)保證(zheng)植入(ru)體(ti)表(biao)(biao)(biao)面(mian)具有較好的(de)生(sheng)物相容性、耐磨(mo)性及(ji)(ji)對(dui)組織生(sheng)長的(de)誘導(dao)性還需要對(dui)多孔結構的(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)進行(xing)化(hua)(hua)學處理或(huo)鍍膜處理。可(ke)采用的(de)方法(fa)包(bao)括(kuo)：熱噴涂、激光熔(rong)敷、離子濺射、噴砂法(fa)、電(dian)化(hua)(hua)學法(fa)等等。常用的(de)耐磨(mo)表(biao)(biao)(biao)面(mian)涂層(ceng)TiN、TiO2及(ji)(ji)生(sheng)物活(huo)性涂層(ceng)。

三、發展與挑戰

①功能梯(ti)度結構、復合材(cai)料的研發

功能梯度(du)結(jie)(jie)構更符合生(sheng)(sheng)物機械性(xing)(xing)能要求，且能減小由于屬彈性(xing)(xing)模量(liang)過(guo)高，使在和不能很好的由植入(ru)體傳遞到相連(lian)(lian)骨組織而產生(sheng)(sheng)的“應力(li)屏蔽(bi)”，同時提高了生(sheng)(sheng)物相容性(xing)(xing)。這種梯度(du)結(jie)(jie)構包括材(cai)料(liao)成分的連(lian)(lian)續(xu)過(guo)渡和結(jie)(jie)構的連(lian)(lian)續(xu)過(guo)渡(見(jian)下圖多孔結(jie)(jie)構的連(lian)(lian)續(xu)過(guo)渡)。材(cai)料(liao)連(lian)(lian)續(xu)過(guo)渡舉例：例人造牙(ya)齒根外表可(ke)用耐磨性(xing)(xing)優秀的羥基磷(lin)石(shi)灰(hui)陶瓷(ci)，內部可(ke)用高強度(du)鈦合金材(cai)料(liao)。

復(fu)合(he)材料作為金屬植(zhi)入體要求在(zai)單(dan)一結(jie)構(gou)中按(an)照不(bu)同(tong)需求在(zai)植(zhi)入體不(bu)同(tong)部分存(cun)在(zai)多復(fu)合(he)材料結(jie)構(gou)。而粉床熔融技術對此(ci)材料制備過程和(he)性能缺乏深入的研究。

②蜂窩復雜結構制造

蜂窩狀結構(gou)分(fen)為隨機性的及非隨機性，后者(zhe)層錯(cuo)結構(gou)具有(you)可重復性。這種復雜結構(gou)制造過程難點在(zai)于粉(fen)末粘著結構(gou)框架上去除(chu)困難。

四、案例

①鈷基(ji)合金人工膝關(guan)節

② 生(sheng)(sheng)物植入體制(zhi)(zhi)造技術是(shi)一(yi)個復雜(za)的新型技術，涉及3D打(da)印、生(sheng)(sheng)物學、材(cai)料學等(deng)多學科知識。小編在此僅對金屬增材(cai)制(zhi)(zhi)造在該領(ling)域(yu)應用(yong)的整體概(gai)況介紹。具體理(li)論知識及工(gong)藝細節還需參照相關書籍、文獻。

注(zhu)：文(wen)中(zhong)數(shu)據及(ji)圖片均來自相關(guan)文(wen)獻(xian)。