增(zeng)材制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造技術在(zai)生(sheng)物醫(yi)療領(ling)(ling)域(yu)的(de)(de)應(ying)用(yong)可分為(wei)四個方面(mian)，分別(bie)是：無生(sheng)物相容性(xing)的(de)(de)醫(yi)療器械制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造；具備(bei)生(sheng)物相容性(xing)但(dan)不可降(jiang)解(jie)的(de)(de)永久植(zhi)(zhi)入(ru)(ru)(ru)(ru)體(ti)(ti)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造；具備(bei)生(sheng)物相容性(xing)且可降(jiang)解(jie)的(de)(de)組織(zhi)工程(cheng)支架的(de)(de)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造和細胞(bao)及其他細胞(bao)外基因(yin)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造。這些不同領(ling)(ling)域(yu)可應(ying)用(yong)的(de)(de)增(zeng)材制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造方法包括：立體(ti)(ti)光刻、分層(ceng)實體(ti)(ti)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造、擠出沉積成型、粉(fen)床燒結(jie)/熔融等等。本文(wen)在(zai)此主(zhu)要闡(chan)述作為(wei)永久性(xing)植(zhi)(zhi)入(ru)(ru)(ru)(ru)體(ti)(ti)的(de)(de)——金屬(shu)植(zhi)(zhi)入(ru)(ru)(ru)(ru)體(ti)(ti)的(de)(de)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造過程(cheng)。粉(fen)床熔融技術(SLM、EBM)應(ying)用(yong)領(ling)(ling)域(yu)主(zhu)要有航空航天類(lei)工業領(ling)(ling)域(yu)及醫(yi)療植(zhi)(zhi)入(ru)(ru)(ru)(ru)體(ti)(ti)，特別(bie)是永久植(zhi)(zhi)入(ru)(ru)(ru)(ru)體(ti)(ti)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造。依托醫(yi)學掃描和成像(xiang)技術，增(zeng)材制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)造技術在(zai)醫(yi)療領(ling)(ling)域(yu)應(ying)用(yong)更加廣泛。那么在(zai)制(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)備(bei)金屬(shu)生(sheng)物植(zhi)(zhi)入(ru)(ru)(ru)(ru)體(ti)(ti)時材料的(de)(de)選用(yong)及設(she)計過程(cheng)有哪些要求呢？

一、植入體用(yong)金屬材料

骨科是(shi)金屬植(zhi)入(ru)物使(shi)用最多(duo)的學科，尤其(qi)以人工關節為主。其(qi)中涉及的常見的金屬材料可用于金屬植(zhi)入(ru)體制(zhi)備，包括：316/316L不(bu)銹鋼，Ti6Al4V，CoCr合金。

另外(wai)還有(you)(you)(you)的(de)(de)新(xin)材(cai)料有(you)(you)(you)：Mg合(he)金(jin)——優點：優秀的(de)(de)比強度和(he)(he)比剛度、良(liang)好的(de)(de)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)相(xiang)容(rong)性(xing)、在生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)體(ti)內可自動(dong)降解等特性(xing)；Ti-6Al-7Nb(TC20)——用(yong)Nb替代(dai)了有(you)(you)(you)毒元素V，比Ti6Al4V更好的(de)(de)抗腐(fu)蝕(shi)性(xing)；鉭——尤其(qi)是多孔鉭金(jin)屬高的(de)(de)孔隙率、低的(de)(de)硬度和(he)(he)優秀生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)相(xiang)容(rong)性(xing)，作為(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)植入體(ti)材(cai)料具有(you)(you)(you)極大潛力；以及Ni-Ti形狀記憶合(he)金(jin)。

本文(wen)在此僅介紹常見(jian)材料：

① 316/316L不銹鋼

不銹鋼(gang)是(shi)最早的人(ren)體(ti)(ti)植(zhi)入(ru)體(ti)(ti)材料，特別是(shi)奧(ao)氏體(ti)(ti)不銹鋼(gang)具有(you)較(jiao)好(hao)的生(sheng)物相(xiang)容性，且價格低廉。常用于人(ren)工骨節或骨折區固定(ding)器等(deng)。其(qi)缺點在(zai)于在(zai)生(sheng)理環境中(zhong)，不銹鋼(gang)有(you)時(shi)會產生(sheng)腐蝕等(deng)問題。較(jiao)多研究在(zai)SLM方法(fa)制備316L植(zhi)入(ru)體(ti)(ti)。

②  CoCr合金

CoCr合金作(zuo)為鈷基材料代表，其(qi)抗腐蝕(shi)性(xing)及耐磨性(xing)能較不(bu)銹鋼都有所提高(gao)。但其(qi)價格較高(gao)也是不(bu)得不(bu)提的缺點。其(qi)主要(yao)作(zuo)為關節、牙齒等替(ti)代材料。

③  Ti6Al4V

彈性模量比不銹鋼及鈷基合(he)金更接(jie)近骨(gu)質。用(yong)于(yu)制備關(guan)節、胸(xiong)骨(gu)、顱骨(gu)以及介入性心血管支架等植入體。SLM、EBM方法制備該材(cai)料均有(you)較多研究，兩(liang)種方法制備材(cai)料組織不同(SLM多有(you)馬氏(shi)體相，EBM多為α+β相)導致兩(liang)者力學性能的差異。

二、設計過程

粉床熔融技術的可定制特(te)點及可制備與骨(gu)組織(zhi)相匹配(pei)的多孔結(jie)構(gou)特(te)點，使其適合生物增材制造中永久植入體(ti)的制備。

① 數據采集過程

可借助CT掃(sao)描(miao)、磁共(gong)振成(cheng)像(MRI)、X攝(she)像技術(shu)采集病(bing)人特定植入體形(xing)貌模型。3D模型重建并使用(yong)三(san)維軟(ruan)件(jian)進行(xing)圖形(xing)個性(xing)化設(she)計(ji)，經(jing)magics等軟(ruan)件(jian)處理后，導入增材制(zhi)造設(she)備直接打印成(cheng)型。

②多孔結構的設計

骨(gu)(gu)(gu)(gu)組(zu)織可分為(wei)密致骨(gu)(gu)(gu)(gu)(皮質(zhi)骨(gu)(gu)(gu)(gu))和松(song)質(zhi)骨(gu)(gu)(gu)(gu)(小梁骨(gu)(gu)(gu)(gu))兩種，兩者(zhe)區別在于孔(kong)隙度(du)和組(zu)織不同(tong)。因此為(wei)了更精確的(de)模仿骨(gu)(gu)(gu)(gu)質(zhi)屬性需要(yao)對(dui)孔(kong)隙度(du)設計。且這(zhe)種孔(kong)隙結構必(bi)須相互關聯，以確保骨(gu)(gu)(gu)(gu)骼的(de)生長(chang)和細胞(bao)的(de)遷(qian)移，同(tong)時(shi)也要(yao)考(kao)慮開(kai)孔(kong)率。目前植入(ru)體普遍的(de)孔(kong)隙尺(chi)寸(cun)為(wei)400-600微米，孔(kong)隙率為(wei)75-85%。

多孔(kong)結構的孔(kong)徑(jing)、孔(kong)隙(xi)率(lv)及內部貫通性(xing)是(shi)決定(ding)骨材(cai)料植入(ru)后骨長入(ru)方式和數量(liang)的決定(ding)因素。L.E.Murr提出的四種多孔(kong)結構模型，如下圖：

Dongjin Yoo 提出了(le)生物多孔(kong)結構。

③植入體表面改性

為保證植入(ru)體表面(mian)具(ju)有較好的生(sheng)(sheng)物相容(rong)性(xing)(xing)、耐(nai)磨(mo)性(xing)(xing)及(ji)對組織生(sheng)(sheng)長的誘導(dao)性(xing)(xing)還(huan)需要(yao)對多孔(kong)結構的表面(mian)進行化學處理或鍍膜處理。可(ke)采用(yong)的方(fang)法(fa)包括：熱噴涂(tu)、激光熔敷、離子(zi)濺射(she)、噴砂(sha)法(fa)、電化學法(fa)等等。常用(yong)的耐(nai)磨(mo)表面(mian)涂(tu)層TiN、TiO2及(ji)生(sheng)(sheng)物活性(xing)(xing)涂(tu)層。

三、發展與挑戰

①功能梯度結(jie)構、復合材料(liao)的研(yan)發

功能梯度(du)結構更符合(he)生物(wu)機械性能要求，且能減小(xiao)由于屬彈(dan)性模量過(guo)(guo)高，使在和不能很好的(de)(de)(de)由植入體傳(chuan)遞到相(xiang)連(lian)(lian)骨組織而產(chan)生的(de)(de)(de)“應(ying)力(li)屏蔽”，同時提高了(le)生物(wu)相(xiang)容性。這種(zhong)梯度(du)結構包括材料(liao)成分的(de)(de)(de)連(lian)(lian)續過(guo)(guo)渡和結構的(de)(de)(de)連(lian)(lian)續過(guo)(guo)渡(見下(xia)圖(tu)多孔結構的(de)(de)(de)連(lian)(lian)續過(guo)(guo)渡)。材料(liao)連(lian)(lian)續過(guo)(guo)渡舉例(li)：例(li)人造牙齒根(gen)外(wai)表可(ke)用耐磨性優秀的(de)(de)(de)羥基磷(lin)石灰陶(tao)瓷，內部(bu)可(ke)用高強度(du)鈦合(he)金材料(liao)。

復合(he)材料(liao)作為金屬(shu)植入(ru)體要求在(zai)(zai)單一(yi)結構中(zhong)按照不同(tong)(tong)需求在(zai)(zai)植入(ru)體不同(tong)(tong)部分存(cun)在(zai)(zai)多(duo)復合(he)材料(liao)結構。而粉床熔融技術對此(ci)材料(liao)制備過程和性(xing)能缺(que)乏深入(ru)的研究。

②蜂窩復雜結構制造

蜂窩(wo)狀(zhuang)結(jie)(jie)構分為隨機性(xing)的及非隨機性(xing)，后(hou)者層錯結(jie)(jie)構具(ju)有可重復性(xing)。這種(zhong)復雜結(jie)(jie)構制(zhi)造過程難點在于(yu)粉末粘(zhan)著結(jie)(jie)構框架上去除困難。

四、案例

①鈷(gu)基合金人工膝(xi)關節

② 生物植入體制造(zao)技術是一個(ge)復(fu)雜的新(xin)型(xing)技術，涉及(ji)3D打(da)印、生物學(xue)、材料學(xue)等多學(xue)科(ke)知(zhi)識(shi)。小編在此(ci)僅對(dui)金屬增材制造(zao)在該領域應用(yong)的整體概況(kuang)介紹。具體理論知(zhi)識(shi)及(ji)工藝細節還需(xu)參照相關書籍、文(wen)獻。

注：文(wen)中(zhong)數據及圖片均來自相關文(wen)獻。