增材制造技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用可分為四個(gè)方面，分別是：無生物相容性的醫(yī)療器械制造；具備生物相容性但不可降解的永久植入體制造；具備生物相容性且可降解的組織工程支架的制造和細(xì)胞及其他細(xì)胞外基因制造。這些不同領(lǐng)域可應(yīng)用的增材制造方法包括：立體光刻、分層實(shí)體制造、擠出沉積成型、粉床燒結(jié)/熔融等等。本文在此主要闡述作為永久性植入體的——金屬植入體的制造過程。粉床熔融技術(shù)(SLM、EBM)應(yīng)用領(lǐng)域主要有航空航天類工業(yè)領(lǐng)域及醫(yī)療植入體，特別是永久植入體制造。依托醫(yī)學(xué)掃描和成像技術(shù)，增材制造技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛。那么在制備金屬生物植入體時(shí)材料的選用及設(shè)計(jì)過程有哪些要求呢？

一、植入體用金屬材料

骨科是金屬植入物使用最多的學(xué)科，尤其以人工關(guān)節(jié)為主。其中涉及的常見的金屬材料可用于金屬植入體制備，包括：316/316L不銹鋼，Ti6Al4V，CoCr合金。

另外還有的新材料有：Mg合金——優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)秀的比強(qiáng)度和比剛度、良好的生物相容性、在生物體內(nèi)可自動(dòng)降解等特性；Ti-6Al-7Nb(TC20)——用Nb替代了有毒元素V，比Ti6Al4V更好的抗腐蝕性；鉭——尤其是多孔鉭金屬高的孔隙率、低的硬度和優(yōu)秀生物相容性，作為生物植入體材料具有極大潛力；以及Ni-Ti形狀記憶合金。

本文在此僅介紹常見材料：

① 316/316L不銹鋼

不銹鋼是最早的人體植入體材料，特別是奧氏體不銹鋼具有較好的生物相容性，且價(jià)格低廉。常用于人工骨節(jié)或骨折區(qū)固定器等。其缺點(diǎn)在于在生理環(huán)境中，不銹鋼有時(shí)會(huì)產(chǎn)生腐蝕等問題。較多研究在SLM方法制備316L植入體。

②  CoCr合金

CoCr合金作為鈷基材料代表，其抗腐蝕性及耐磨性能較不銹鋼都有所提高。但其價(jià)格較高也是不得不提的缺點(diǎn)。其主要作為關(guān)節(jié)、牙齒等替代材料。

③  Ti6Al4V

彈性模量比不銹鋼及鈷基合金更接近骨質(zhì)。用于制備關(guān)節(jié)、胸骨、顱骨以及介入性心血管支架等植入體。SLM、EBM方法制備該材料均有較多研究，兩種方法制備材料組織不同(SLM多有馬氏體相，EBM多為α+β相)導(dǎo)致兩者力學(xué)性能的差異。

二、設(shè)計(jì)過程

粉床熔融技術(shù)的可定制特點(diǎn)及可制備與骨組織相匹配的多孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其適合生物增材制造中永久植入體的制備。

① 數(shù)據(jù)采集過程

可借助CT掃描、磁共振成像(MRI)、X攝像技術(shù)采集病人特定植入體形貌模型。3D模型重建并使用三維軟件進(jìn)行圖形個(gè)性化設(shè)計(jì)，經(jīng)magics等軟件處理后，導(dǎo)入增材制造設(shè)備直接打印成型。

②多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

骨組織可分為密致骨(皮質(zhì)骨)和松質(zhì)骨(小梁骨)兩種，兩者區(qū)別在于孔隙度和組織不同。因此為了更精確的模仿骨質(zhì)屬性需要對(duì)孔隙度設(shè)計(jì)。且這種孔隙結(jié)構(gòu)必須相互關(guān)聯(lián)，以確保骨骼的生長和細(xì)胞的遷移，同時(shí)也要考慮開孔率。目前植入體普遍的孔隙尺寸為400-600微米，孔隙率為75-85%。

多孔結(jié)構(gòu)的孔徑、孔隙率及內(nèi)部貫通性是決定骨材料植入后骨長入方式和數(shù)量的決定因素。L.E.Murr提出的四種多孔結(jié)構(gòu)模型，如下圖：

Dongjin Yoo 提出了生物多孔結(jié)構(gòu)。

③植入體表面改性

為保證植入體表面具有較好的生物相容性、耐磨性及對(duì)組織生長的誘導(dǎo)性還需要對(duì)多孔結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行化學(xué)處理或鍍膜處理。可采用的方法包括：熱噴涂、激光熔敷、離子濺射、噴砂法、電化學(xué)法等等。常用的耐磨表面涂層TiN、TiO2及生物活性涂層。

三、發(fā)展與挑戰(zhàn)

①功能梯度結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料的研發(fā)

功能梯度結(jié)構(gòu)更符合生物機(jī)械性能要求，且能減小由于屬彈性模量過高，使在和不能很好的由植入體傳遞到相連骨組織而產(chǎn)生的“應(yīng)力屏蔽”，同時(shí)提高了生物相容性。這種梯度結(jié)構(gòu)包括材料成分的連續(xù)過渡和結(jié)構(gòu)的連續(xù)過渡(見下圖多孔結(jié)構(gòu)的連續(xù)過渡)。材料連續(xù)過渡舉例：例人造牙齒根外表可用耐磨性優(yōu)秀的羥基磷石灰陶瓷，內(nèi)部可用高強(qiáng)度鈦合金材料。

復(fù)合材料作為金屬植入體要求在單一結(jié)構(gòu)中按照不同需求在植入體不同部分存在多復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。而粉床熔融技術(shù)對(duì)此材料制備過程和性能缺乏深入的研究。

②蜂窩復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造

蜂窩狀結(jié)構(gòu)分為隨機(jī)性的及非隨機(jī)性，后者層錯(cuò)結(jié)構(gòu)具有可重復(fù)性。這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造過程難點(diǎn)在于粉末粘著結(jié)構(gòu)框架上去除困難。

四、案例

①鈷基合金人工膝關(guān)節(jié)

② 生物植入體制造技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的新型技術(shù)，涉及3D打印、生物學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科知識(shí)。小編在此僅對(duì)金屬增材制造在該領(lǐng)域應(yīng)用的整體概況介紹。具體理論知識(shí)及工藝細(xì)節(jié)還需參照相關(guān)書籍、文獻(xiàn)。

注：文中數(shù)據(jù)及圖片均來自相關(guān)文獻(xiàn)。