3D打印多孔金屬合金個性化醫(yī)學植入

來源：激光天地

導讀：截至2019年，大約有40種不同的商業(yè)金屬3D打印/增材制造系統(tǒng)，每年的全球總銷售額達數(shù)十億美元。迄今為止，用于生產(chǎn)商業(yè)醫(yī)療設(shè)備（尤其是多孔生物醫(yī)學植入設(shè)備）最方便也最受歡迎的系統(tǒng)是激光和電子束粉末床融合技術(shù)。

即使在構(gòu)建體積相對較小（〜0.09 m3），也可以在這些商用機器中方便地制造許多生物醫(yī)學設(shè)備，例如多孔顱面插入物，各種脊柱插入物以及許多其他骨骼或整形外科植入物。此外，雖然許多傳統(tǒng)的商業(yè)金屬和合金植入物(尤其是全髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)植入物)是由鍛造或鑄造的錠料制成，然后數(shù)控加工成特定的患者可用尺寸和表面光潔度，但激光和電子束3D打印/調(diào)幅系可以直接制造特定于特定患者骨骼尺寸的復雜和策略性放置的孔隙，并且通常只需要對關(guān)鍵部件進行最終拋光。多余的粉末可以方便地重復使用，并且不需要工具，因為患者特定的顯微CT數(shù)據(jù)可以嵌入到CAD軟件中，以創(chuàng)建復雜多孔植入物。2018年中國和印度的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)平均費用約為2000美元; 膝蓋植入物的價格約為1500美元。此外，中國于2019年將價格降低20％至50％，而印度于2015年對骨科（髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)）植入物實行價格管制。

全球整形外科植入物手術(shù)從2012年的170萬例增加到2016年的290萬例；預計到2021年將超過500萬。自2015年以來，骨科植入物市場排名：美國、中國、日本、德國、法國、英國、意大利、巴西、西班牙、加拿大、澳大利亞和印度。到2025年，全球市場植入性增材制造收入預計將超過650億美元。目前，該市場在商業(yè)上由Stryker，DePuy，Aesealap，Zimmer / Biomet，Smith和Nephew，Synthes和Medtronic等公司主導。到目前為止，主要的生物醫(yī)學器械合金是Ti-6Al-4V，但是一些制造商使用的是Co-Cr-Mo合金（尤其是關(guān)鍵部件），316 L不銹鋼和鉭。

粉末床融合（SLM和EBM）技術(shù)在過去兩年中在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應用，而商用系統(tǒng)則越來越多地用于醫(yī)院3D打印中心或?qū)嶒炇?，以滿足骨科和其他醫(yī)療部門對接觸點，患者特定手術(shù)設(shè)備的要求。下圖總結(jié)了使用EBM的粉末床熔融技術(shù)的主要特征。

圖1. 用于Ti-6Al-4 V產(chǎn)品制造的EBM系統(tǒng)

EBM和SLM加工金屬或合金產(chǎn)品的主要區(qū)別在于SLM粉末床溫度較低，冷卻或冷卻速度較快。這在一些SLM中產(chǎn)生內(nèi)部應變，產(chǎn)品通常需要熱等靜壓處理(HIPing)來消除這種內(nèi)在應變，以及產(chǎn)品翹曲或其他變形。SLM產(chǎn)品表面通常也更光滑，對于某些應用來說，這可能是一個重要的特性。

Materialize NV目前提供一套軟件，該軟件利用各種多面體和幾何單位單元生成開孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型。下圖（a和b）提供了這些結(jié)構(gòu)模型的示例，而下圖（c和d）顯示了模擬骨骼狀泡沫圓柱體的模型構(gòu)造。

圖2. Ti-6Al-4的開孔構(gòu)件模型示例和電子束加工網(wǎng)(a)和泡沫(b)樣品

近三十年來，使用液態(tài)樹脂的丙烯酸酯生物模型已經(jīng)通過快速原型/立體光刻系統(tǒng)制造出來，被用來在外科手術(shù)計劃中創(chuàng)建術(shù)前指南，包含血管和其他器官等軟組織原型以及用于各種骨骼模型的更堅硬的聚合物。下圖說明了術(shù)前聚合物顱骨模型和定制的多孔（網(wǎng)狀）顱骨Ti-6Al-4V插入物的示例，顱骨板植入物的孔隙率在提供骨細胞向內(nèi)生長和固定到顱骨上方面尤其重要。

圖3. EBM制造的Ti-6Al-4 V菱形十二面體網(wǎng)狀顱骨插入件，用于特定于患者的CAD生成的聚合物頭骨模型。

下圖顯示了用于全髖關(guān)節(jié)成形術(shù)的部件，包括將器械固定到骨盆的髖臼杯、連接到股骨柄頂部的特殊聚合物球關(guān)節(jié)以及杯內(nèi)的聚合物襯墊，并且在X光圖像中不可見。髖臼杯由多孔(通常為網(wǎng)狀)結(jié)構(gòu)制成，并且通常被擰到骨盆骨上，從而在通過骨細胞向內(nèi)生長來穩(wěn)定器械的同時提供器械的連接。

圖4. X光照片顯示了采用多孔，EBM制造的Ti-6Al-4 V髖臼杯（AC）進行的全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)

圖5. Co-Cr-Mo合金EBM制造的股骨網(wǎng)矯治器作為全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的組成部分（a和c）

圖6. 全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的模型視圖，涉及特殊的多孔股骨長柄Co-Cr-Mo合金矯治器（FS）和多孔長柄Ti-6Al-4 V脛骨矯正器（TS）

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2238785419318873