上海大學(xué)《JMST》綜述：3D打印鈦合金的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用！

來源：材料科學(xué)與工程


導(dǎo)讀：3D打印技術(shù)是一項新型精密成形技術(shù)，也是第三次工業(yè)革命的核心技術(shù)。鈦及其合金的3D打印技術(shù)由于其定制生產(chǎn)，節(jié)省成本、時間和資源的潛力，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中受到高度關(guān)注，其中3D打印的個性化定制可以滿足具體需求，能夠?qū)崿F(xiàn)微觀組織和結(jié)構(gòu)設(shè)計的精確控制。文章首先從材料、設(shè)備、技術(shù)、工藝等方面綜述了骨替代鈦基生物材料的最新發(fā)展，其次，對細(xì)胞結(jié)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計、鈦合金熱處理后的微觀組織、力學(xué)性能和失效形式以及成骨細(xì)胞的體內(nèi)外實驗進(jìn)行了討論，最后闡述合金缺陷的改善方法，并展望了人工智能、大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

隨著人口老齡化和患者希望保持相同水平的活動和生活質(zhì)量，骨科生物材料的使用在過去幾年中急劇增加。在臨床骨科生物材料巨大需求的推動下，骨組織工程發(fā)展迅速，并研究設(shè)計了一系列骨科生物材料。鐵基和鎂基生物材料借助3D技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，與鐵基和鎂基生物材料相比，鈦基生物材料具有高強(qiáng)度，低比模量，更好的生物相容性，在骨科生物材料中表現(xiàn)出具有競爭力的獨特優(yōu)勢。

3D打印鈦基生物材料可根據(jù)個人的不同需求而定制，不僅可以制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且在成本、制造周期、個性化定制等方面具有無可比擬的優(yōu)勢，可大力發(fā)展該技術(shù)在骨科、牙科和心血管等領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，該技術(shù)仍然面臨著許多挑戰(zhàn)，如如何平衡多孔骨質(zhì)生長與力學(xué)性能之間的關(guān)系、增材制造技術(shù)的選擇以及參數(shù)優(yōu)化等。

上海大學(xué)的研究人員總結(jié)了前人的研究工作，指出目前鈦基生物材料面臨的挑戰(zhàn)，強(qiáng)調(diào)人工智能在3D打印參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的重要作用。相關(guān)論文以題為“Biomedical applications of the powder-based 3D printed titanium alloys: A review”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.11.084

圖1 (A)激光增材制造(B) 粘結(jié)劑噴射增材制造(C)三種多材料擠壓增材制造技術(shù)


圖2 增材制造和常規(guī)方法制備的Ti6Al4V的屈服強(qiáng)度和塑性


圖3電子束熔融(EBM)制備多孔鈦與熱敏膠原復(fù)合支架的體內(nèi)骨誘導(dǎo)實驗。（B）GBR中導(dǎo)致細(xì)胞對Ti6Al4V-6Cu合金響應(yīng)的模型；（C）植入體內(nèi)8周后，多孔鈦合金micro-CT圖像及支架孔內(nèi)骨分?jǐn)?shù)定量結(jié)果

圖4機(jī)器學(xué)習(xí)在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用。(A)生物醫(yī)學(xué)3D打印流程的機(jī)器學(xué)習(xí):從打印到患者（B）機(jī)器學(xué)習(xí)啟發(fā)的各向同性晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計（C）冶金學(xué)、機(jī)械建模和機(jī)器學(xué)習(xí)在金屬3D打印各個具體過程中的貢獻(xiàn)。

文章通過對3D打印鈦合金技術(shù)的分析和總結(jié)，得出以下結(jié)論：

(1)不同的3D打印技術(shù)在熱掃描速度、電源功率、沉積速率等方面存在差異。與傳統(tǒng)工藝相比，3D打印制備工藝具有快速加熱和冷卻的典型特性，需精確控制工藝參數(shù)，以獲得高質(zhì)量和可靠的零件;

（2）對骨組織的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分類和描述，指出降低剛度的一種方法是合理優(yōu)化多孔骨替代物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而減少骨替代物與宿主骨之間剛度的差異，從而緩解應(yīng)力屏蔽問題。

（3）分析了快速加熱和冷卻的特點對鈦合金組織演變的影響，可以通過調(diào)整兩相組成和組織形態(tài)，可實現(xiàn)機(jī)械性能的改善;

（4）強(qiáng)調(diào)了多孔鈦合金在植入后的生物相容性和骨結(jié)合能力;(4)通過開發(fā)強(qiáng)大的數(shù)字工具，如結(jié)合冶金知識庫的機(jī)器模型和機(jī)器學(xué)習(xí)，3D打印金屬才有更好地發(fā)展。

指出制定有效鑒定和證明方法應(yīng)需要良好掌握工藝參數(shù)和對疲勞性能的相關(guān)影響因素。對于復(fù)雜的3D打印幾何結(jié)構(gòu)(如多孔結(jié)構(gòu)和晶格結(jié)構(gòu))，需要開發(fā)更好的測試、掃描方法以及無損評估技術(shù)。此外，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的不斷應(yīng)用為加工參數(shù)的選擇提供了科學(xué)指導(dǎo)，能夠提高零件的質(zhì)量，降低試錯成本。并且機(jī)器學(xué)習(xí)還可以根據(jù)經(jīng)驗逐步更新工藝-微觀組織-性能關(guān)系。強(qiáng)調(diào)要大力發(fā)展3D打印數(shù)據(jù)庫，為優(yōu)化實驗設(shè)計、加速個性化定制奠定基礎(chǔ)。（文：曉太陽）