增(zeng)材(cai)制(zhi)(zhi)造(zao)技(ji)術在(zai)生(sheng)(sheng)物醫(yi)療(liao)領(ling)域的(de)應(ying)(ying)(ying)(ying)用(yong)(yong)(yong)(yong)可分為四個方(fang)面，分別(bie)是：無生(sheng)(sheng)物相容(rong)性(xing)(xing)的(de)醫(yi)療(liao)器械制(zhi)(zhi)造(zao)；具備生(sheng)(sheng)物相容(rong)性(xing)(xing)但(dan)不可降解的(de)永久植(zhi)(zhi)入(ru)體制(zhi)(zhi)造(zao)；具備生(sheng)(sheng)物相容(rong)性(xing)(xing)且可降解的(de)組(zu)織工(gong)程支架的(de)制(zhi)(zhi)造(zao)和(he)細(xi)胞(bao)及(ji)(ji)其他細(xi)胞(bao)外基因(yin)制(zhi)(zhi)造(zao)。這些(xie)不同領(ling)域可應(ying)(ying)(ying)(ying)用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)增(zeng)材(cai)制(zhi)(zhi)造(zao)方(fang)法包括：立體光(guang)刻(ke)、分層(ceng)實體制(zhi)(zhi)造(zao)、擠出(chu)沉積(ji)成(cheng)型(xing)、粉(fen)(fen)床燒結/熔(rong)融等(deng)等(deng)。本(ben)文在(zai)此(ci)主要闡(chan)述作為永久性(xing)(xing)植(zhi)(zhi)入(ru)體的(de)——金(jin)屬(shu)植(zhi)(zhi)入(ru)體的(de)制(zhi)(zhi)造(zao)過程。粉(fen)(fen)床熔(rong)融技(ji)術(SLM、EBM)應(ying)(ying)(ying)(ying)用(yong)(yong)(yong)(yong)領(ling)域主要有航空(kong)航天類(lei)工(gong)業領(ling)域及(ji)(ji)醫(yi)療(liao)植(zhi)(zhi)入(ru)體，特(te)別(bie)是永久植(zhi)(zhi)入(ru)體制(zhi)(zhi)造(zao)。依托醫(yi)學(xue)掃描和(he)成(cheng)像(xiang)技(ji)術，增(zeng)材(cai)制(zhi)(zhi)造(zao)技(ji)術在(zai)醫(yi)療(liao)領(ling)域應(ying)(ying)(ying)(ying)用(yong)(yong)(yong)(yong)更(geng)加廣泛。那么(me)在(zai)制(zhi)(zhi)備金(jin)屬(shu)生(sheng)(sheng)物植(zhi)(zhi)入(ru)體時(shi)材(cai)料的(de)選用(yong)(yong)(yong)(yong)及(ji)(ji)設(she)計過程有哪些(xie)要求(qiu)呢？

一、植入體用(yong)金(jin)屬材料

骨科是(shi)金(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)植(zhi)入物(wu)使用最多的學科，尤其以人工關節為主。其中涉(she)及的常(chang)見的金(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)材料可用于(yu)金(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)(shu)植(zhi)入體制備(bei)，包括：316/316L不(bu)銹鋼(gang)，Ti6Al4V，CoCr合金(jin)(jin)(jin)(jin)。

另外(wai)還有的(de)(de)新材(cai)料有：Mg合金(jin)——優(you)點：優(you)秀的(de)(de)比(bi)(bi)強度和比(bi)(bi)剛度、良好的(de)(de)生(sheng)物(wu)相容性(xing)、在生(sheng)物(wu)體(ti)內可自動降解等特性(xing)；Ti-6Al-7Nb(TC20)——用Nb替代了有毒元素V，比(bi)(bi)Ti6Al4V更好的(de)(de)抗腐(fu)蝕性(xing)；鉭——尤(you)其是多孔鉭金(jin)屬高的(de)(de)孔隙率(lv)、低的(de)(de)硬度和優(you)秀生(sheng)物(wu)相容性(xing)，作(zuo)為生(sheng)物(wu)植入(ru)體(ti)材(cai)料具有極大潛力；以及Ni-Ti形狀記憶合金(jin)。

本文在此僅介紹(shao)常見(jian)材(cai)料：

① 316/316L不銹鋼

不銹鋼是最早(zao)的人體植入(ru)體材(cai)料(liao)，特別是奧(ao)氏體不銹鋼具有(you)較(jiao)好的生(sheng)物(wu)相容性(xing)，且價格低廉。常用(yong)于人工骨節或骨折區固定器等(deng)。其缺點在于在生(sheng)理環境中，不銹鋼有(you)時會產生(sheng)腐蝕等(deng)問題(ti)。較(jiao)多研究(jiu)在SLM方法(fa)制(zhi)備316L植入(ru)體。

②  CoCr合(he)金(jin)

CoCr合金作為鈷基材(cai)料代(dai)表，其(qi)(qi)抗(kang)腐蝕性及耐(nai)磨性能較不(bu)銹鋼都有所提(ti)高。但其(qi)(qi)價格較高也(ye)是不(bu)得不(bu)提(ti)的缺點。其(qi)(qi)主要作為關(guan)節、牙齒等替代(dai)材(cai)料。

③  Ti6Al4V

彈(dan)性(xing)(xing)模量比(bi)不銹鋼及(ji)(ji)鈷(gu)基合金更接近骨質。用于制(zhi)(zhi)備(bei)關節、胸(xiong)骨、顱骨以及(ji)(ji)介入(ru)性(xing)(xing)心血管支架等(deng)植(zhi)入(ru)體(ti)。SLM、EBM方法制(zhi)(zhi)備(bei)該材料均有(you)較(jiao)多研究，兩(liang)(liang)種方法制(zhi)(zhi)備(bei)材料組(zu)織不同(SLM多有(you)馬(ma)氏體(ti)相(xiang)，EBM多為α+β相(xiang))導致兩(liang)(liang)者力學(xue)性(xing)(xing)能的差異(yi)。

二、設計過程

粉床熔融技術的(de)可定制特點及(ji)可制備(bei)與骨組(zu)織相匹配(pei)的(de)多孔結構特點，使其適合生物增材制造中永久植入體(ti)的(de)制備(bei)。

① 數據采集過程

可(ke)借助(zhu)CT掃(sao)描、磁(ci)共(gong)振(zhen)成(cheng)像(xiang)(MRI)、X攝像(xiang)技(ji)術采(cai)集病(bing)人特(te)定植入(ru)(ru)體(ti)形貌模型(xing)。3D模型(xing)重建并(bing)使用三維軟(ruan)件(jian)進行圖(tu)形個性化設(she)計(ji)，經magics等(deng)軟(ruan)件(jian)處(chu)理后(hou)，導入(ru)(ru)增材(cai)制(zhi)造設(she)備直接打印成(cheng)型(xing)。

②多孔結構的設計

骨(gu)組織可(ke)分為(wei)(wei)密(mi)致骨(gu)(皮(pi)質骨(gu))和松質骨(gu)(小梁骨(gu))兩種(zhong)，兩者區別在于孔隙(xi)度和組織不同。因此(ci)為(wei)(wei)了更精確(que)的模仿骨(gu)質屬性需要對(dui)孔隙(xi)度設計。且這(zhe)種(zhong)孔隙(xi)結構必須相互關聯，以確(que)保(bao)骨(gu)骼的生長和細胞的遷移，同時也要考慮開孔率。目前植(zhi)入體普遍的孔隙(xi)尺寸為(wei)(wei)400-600微米，孔隙(xi)率為(wei)(wei)75-85%。

多(duo)孔(kong)結(jie)構(gou)的孔(kong)徑、孔(kong)隙率及內部貫通性是決(jue)定骨(gu)材料植入后骨(gu)長入方式(shi)和數量的決(jue)定因(yin)素(su)。L.E.Murr提出的四(si)種多(duo)孔(kong)結(jie)構(gou)模型，如下圖：

Dongjin Yoo 提出了生物多孔結構。

③植入體表面改性

為保證植(zhi)入(ru)體表面具有較(jiao)好(hao)的生物相容性(xing)(xing)(xing)、耐磨性(xing)(xing)(xing)及(ji)對組(zu)織(zhi)生長(chang)的誘導性(xing)(xing)(xing)還需要對多孔結構的表面進行(xing)化(hua)學處理或鍍膜處理。可(ke)采用的方法包括(kuo)：熱(re)噴(pen)涂、激光熔敷、離子濺射、噴(pen)砂法、電化(hua)學法等(deng)等(deng)。常用的耐磨表面涂層TiN、TiO2及(ji)生物活性(xing)(xing)(xing)涂層。

三、發展與挑戰

①功能梯度結構(gou)、復(fu)合材料的(de)研發

功能梯(ti)度(du)(du)結(jie)(jie)構(gou)更符合生(sheng)物(wu)機(ji)械性(xing)能要求，且能減(jian)小由(you)于屬彈性(xing)模量過(guo)高(gao)，使(shi)在(zai)和(he)不能很好(hao)的由(you)植入(ru)體傳遞(di)到(dao)相連(lian)(lian)骨組織而(er)產生(sheng)的“應力屏蔽”，同時(shi)提高(gao)了生(sheng)物(wu)相容性(xing)。這種(zhong)梯(ti)度(du)(du)結(jie)(jie)構(gou)包(bao)括材料(liao)成分的連(lian)(lian)續(xu)(xu)過(guo)渡和(he)結(jie)(jie)構(gou)的連(lian)(lian)續(xu)(xu)過(guo)渡(見(jian)下圖(tu)多孔(kong)結(jie)(jie)構(gou)的連(lian)(lian)續(xu)(xu)過(guo)渡)。材料(liao)連(lian)(lian)續(xu)(xu)過(guo)渡舉例(li)(li)：例(li)(li)人(ren)造牙齒根(gen)外表可(ke)用(yong)耐磨(mo)性(xing)優秀的羥(qian)基磷石灰陶(tao)瓷，內部可(ke)用(yong)高(gao)強度(du)(du)鈦合金(jin)材料(liao)。

復(fu)合材料作為(wei)金屬植入體要(yao)求(qiu)(qiu)在單一結構(gou)中按照不同需求(qiu)(qiu)在植入體不同部分存在多復(fu)合材料結構(gou)。而粉床熔融技術對此材料制(zhi)備過程和性(xing)能(neng)缺乏深(shen)入的研究。

②蜂窩復雜結構制造

蜂窩狀結(jie)(jie)構(gou)分為隨機(ji)性(xing)的及非隨機(ji)性(xing)，后者層錯結(jie)(jie)構(gou)具有可重復(fu)性(xing)。這種復(fu)雜結(jie)(jie)構(gou)制造過(guo)程難點在(zai)于(yu)粉末粘著結(jie)(jie)構(gou)框架(jia)上去除困(kun)難。

四、案例

①鈷基合(he)金人(ren)工膝關節

② 生物植入體(ti)制造技(ji)術(shu)(shu)是一個復雜(za)的新(xin)型技(ji)術(shu)(shu)，涉及3D打印、生物學、材料學等(deng)多學科知識(shi)。小編在(zai)此僅(jin)對金屬(shu)增材制造在(zai)該領域(yu)應用的整(zheng)體(ti)概況介紹。具體(ti)理論知識(shi)及工藝(yi)細節還需參照相關書籍、文(wen)獻。

注(zhu)：文(wen)中(zhong)數據(ju)及圖(tu)片(pian)均(jun)來自相(xiang)關文(wen)獻(xian)。