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浅谈金属3D打印在骨科植入物领域的应用

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2020-01-26浏览次数:725

3D打印技术在医疗应用中的应用正在扩大。这种新方法依靠医学扫描和成像技术(CT,MRI,超声),为医疗保健提供更经济有效的解决方案,并正在改变现有医疗保健行业的供应链。

在这方面值得注意的是,美国药品监管机构FDA已经颁发了一些3D打印医疗设备的市场许可证。

那么可以3D打印的医疗终端应用是什么?

一般项目(髋关节/膝关节/肩关节植入物或种植体附件)

独特的定制项目(助听器,牙科,鞋垫,假肢和整形外科植入物)

模型(用于制作牙冠或口腔正畸的下一步)

采用3D打印组件的这些医疗领域已经获得了更加简化的供应链。 3D打印技术不需要多个生产过程或使用任何其他工具,并且可以最小化库存。这样可以降低成本并缩短交付周期,特别是对于小型复杂部件,如整形外科植入物。

许多外科医生目前正在尝试使用金属3D打印工艺来制作整形外科植入物,并且很快将成为一种成功的应用。原因是金属3D打印具有以下特征:

1)生物相容性金属粉末

从其表面上的相邻细胞和组织获得预期响应的能力是外科植入物的非常重要的属性。因为细胞行为(粘附,功能变化,形态变化和增殖)受其表面特性的强烈影响。表面形貌,表面化学和表面能量主导植入物的生物反应。

因此,对于植入物的制造,首选材料是纯钛和钛合金。纯钛具有很高的耐腐蚀性,被认为是最具生物相容性的金属。只要它的表面暴露在氧化介质中,它就能够自发地形成一个稳定的惰性氧化层。如果生物医学植入物需要有更高的强度,那么最好的选择是Ti6Al4V合金,它也表现出良好的疲劳和耐腐蚀性以及低的比重。

此外,可以粉末形式提供的其他生物相容性材料是不锈钢316L和钴铬合金。高度控制的金属3D打印环境(充满中性气体和氧气限制)确保打印部件的高纯度,并保持所需的材料性能。

2)更便宜的“一次性”定制金属植入物

传统的方法在制造定制植入物时往往特别耗时和昂贵,而3D打印更为灵活,其资金需求在一定程度上受到限制,设计复杂度降低,从而实现个性化定制。

显然,定制的产品将使患者更舒适,恢复更快。骨科医生可以通过定制的形状来优化骨骼上的应力分布,提供更好的适应性,并消除外科医生在手术期间执行手工操作的需要。手术失败的风险降低,同时手术时间和总成本也降低。

3)机械性能升级

3D打印部件往往比传统制造技术(如铸造、生产部件)具有更好的机械性能。由于一些金属3D打印工艺涉及到非常专业的尖端冶金技术,它们可以产生独特的微观结构。根据天宫的说法,经过适当的处理,金属3D打印可以产生精细的晶体颗粒。由于热影响区直接包围着激光熔池,可以快速获得热能。此外,作为金属3D打印价值链的一部分,热处理在后处理中可以进一步提高预制件的力学性能。

结果,由于厚度略微减小,该部分可能变得更轻,这减少了患者的不适并且不牺牲其他属性。

4)3D打印和整形外科金属植入物之间的协同作用

钛具有高弹性模量,倾向于引起植入物和骨之间的弹性不匹配,并限制了这种材料的使用。低弹性杨氏模量有助于避免“应力屏蔽”(即,由植入物引起的正常骨应力消失),而“应力屏蔽”导致骨密度降低。

由于金属3D打印技术可以指定所构造物体的孔隙率,因此可以通过改变多孔结构的体积分数和尺寸分布来解决该问题。事实上,多孔钛的弹性模量随着孔径的增加而减小,并且植入物可以定制成具有与人骨相似的机械性能。

另外,传统上使用减少的材料制造的金属植入物通常具有施加到表面的多孔表面涂层,以促进整个植入物的骨内生长和整合。金属3D打印结合了致密,承重结构,提供强度与精确互连的开孔诱导骨生长。

最后但并非最不重要的是,当需要固定整形外科植入物时,金属3D打印预成品部件的粗糙表面可以消除对下游涂层操作的需要,从而节省时间和金钱。