透视3D打印-增材制造金属生物材料的种类及发展现状
在骨科植入耗材市场快速发展的大趋势下，3D打印骨科植入物的商业化也进入了加速跑状态。创新驱动型的骨科植入物制造商，通过创新驱动的研发在骨科植入物细分领域中打造自身的竞争壁垒。而3D打印技术正是骨科植入物创新的驱动力之一，深耕增材制造应用的企业已建立起竞争优势。
在骨科植入物这个领域，有不同的材料可以选择。根据3D科学谷的市场研究，当前代表性的材料包括金属、陶瓷、PEEK等。本期，将与网友一起就骨科领域的金属生物材料的分类及发展现状进行深入的了解。
3D打印金属生物材料
钛合金
钛合金的生物相容性、高比强度、高耐腐蚀性、重量轻、3D打印过程中熔合缺陷较少；与其他一些合金（例如 Co-Cr）相比硬度和摩擦学性能较差，应力屏蔽问题（可以通过定义孔隙率来改善）；可应用于许多金属植入物，如关节、颅骨、牙科植入物等。
3D打印金属生物材料-钛合金©3D科学谷
3D打印椎间融合器©3D科学谷
根据3D科学谷的市场观察，钛合金骨科植入物方面的最新进展包括如下：
史赛克（Stryker）开发了专有的 AMagine 增材制造技术，其多款植入物产品中都安装了通过该技术生产的3D打印部件，例如：在全膝关节植入物Triathlon Tritanium 中，创新性的胫骨基板和金属背髌骨组件均是通过AMagine增材制造技术和SOMA设计的。
史赛克非骨水泥膝关节假体中的3D打印基板
根据史赛克，Triathlon Tritanium 基板是Triathlon 非骨水泥型膝关节产品组合的最新技术演变。它提供高度多孔的金属生物固定物，可为外科医生和医院提供高性能和高效的结果。
施乐辉( Smith+Nephew )宣布推出非骨水泥型3D打印全膝关节系统LEGION CONCELOC。
施乐辉LEGION™ CONCELOC™3D打印全膝关节系统
CONCELOC 先进多孔钛是一项获得专利的专有 3D 打印多孔结构技术，首次用于施乐辉2016 年推出的领先 REDAPT™Revision Hip System。CONCELOC 在虚拟环境中创建，并通过 3D 打印增材制造来优化其多孔结构促进骨长入的结构。
2021年9月30日，由四川大学华西医院周宗科教授牵头主研，嘉思特华剑医疗器材（天津）有限公司设计制造的3D打印分区骨小梁生物型膝关节假体在四川大学华西医院成功植入。该植入物在术中无需使用骨水泥，通过机械固定，即假体与骨组织的紧密结合，获得假体的初始稳定性，远期骨组织长入假体表面的微孔内部，实现由机械固定向生物内锁固定的转化，最终经过骨整合作用获得良好固定，预期能够获得更长的假体寿命。
临床方面，2020年1月7日，上海九院骨科郝永强教授团队利用3D打印技术，为患者樊女士成功实施了右肘肿瘤精准切除和植入了为她“量身定制”的3D打印肘部（肱骨远端）个性化重建假体的手术。“私人定制”的钛合金人工假体帮患者如愿地保住了完整右上肢，且肘关节功能大为改善。此台手术不仅是1月1日施行《定制式医疗器械监督管理规定（试行）》后完成的第一台定制式医疗器械植入手术，据悉，此前郝永强教授团队在戴尅戎院士带领下已为近200名患者实施了3D打印个性化假体重建手术。
不过即使是最先进的钛植入物，其使用寿命也很有限，植入物会失去与骨骼的附着力，从而导致疼痛并限制患者的活动能力。
3D打印植入物多孔表面的模量低于常规植入物，所以金属植材料和骨骼之间的刚度差异会减小，这使得植入物与骨骼之间能够更好的“贴合”，并实现有效的骨整合。
应力屏蔽是指当两种模量不同的材料放在一起使用时，模量大的材料承担更大的应力。以常见的植入物制造材料钛合金为例，当该材料被移植入体内，由于钛合金的模量远大于人体骨骼的模量，所以钛合金承担更多的应力作用，这将不利于新骨的生长。
制造商在不断探索出各种策略来延长植入物的寿命，包括使用不同的材料，尤其是具有模仿骨骼特性，表面功能化的材料，以及输送活性剂以促进骨骼生长和抵御感染的材料。因此，理想的植入物需要具有多种功能才能持续一生。
钴铬合金
钴铬合金是另一种仍然需要用于植入物的“主力”合金，特别是用于股骨膝关节部件和双活动髋关节杯，目前临床上仍然没有其他材料可以反映其特性。不过虽然钴铬合金和 Ti64 都非常适合通过L-PBF和EBM工艺来加工，但并非所有患者都适合钴铬合金植入物。
根据3D科学谷的市场研究，钴铬合金具有高的生物相容、高硬度、耐磨和耐腐蚀。不过大多数 Co-Cr 合金都包含会引起过敏反应的 Ni，主要作为短期植入物、牙科替代物和过度使用的植入物，例如髋关节和膝关节替代品。
最近的发展方面，根据3D科学谷的了解，国际上SLM Solutions 针对髋臼杯、椎间融合器这两种3D打印植入物重点量产领域，开展了研究与应用积累。例如，针对髋臼杯增材制造开发了60微米的成熟3D打印工艺参数，并可以实现髋臼杯内部无支撑打印，减少了后处理的工作量。
钴铬合金膝关节3D打印植入物。来源：SLM Solutions
在膝关节应用领域，SLM Solutions在30微米成熟工艺的基础上，不断开发钴铬合金60微米参数工艺。
钽合金
根据3D科学谷的了解，钽合金具有良好的生物相容性、高耐腐蚀性、高强度和弹性模量。不过在增材制造方面，具有一定程度的挑战，包括高成本和密度、应力屏蔽问题（与 Ti 相比具有更高的弹性模量。总体来说，钽合金适合用作小型植入物部件、多孔植入物、用于增强骨整合特性的植入物涂层。
3D打印多孔钽金属已在脊柱、髋关节和肢体静脉曲张手术中进行了临床应用，并取得了良好的临床疗效。3D打印多孔钽金属不但能实现仿生骨小梁结构的设计和制造，还具有良好的细胞黏附性和生物相容性。同时，这种材料的弹性模量和强度适合局部环境。临床实验结果表明，3D打印多孔钽金属能与骨骼紧密结合，术后功能恢复的效果令人满意。实验结果和临床结果均证实3D打印能精确控制尺寸，并具有良好的疗效。
在临床方面，根据3D科学谷的市场观察，2021年7月，在陕西省重大智能制造专项的支持下，空军军医大学西京医院骨科首次将钽金属3D打印的长节段人工椎体，运用于脊柱恶性肿瘤整块切除后的缺损重建。
钽金属3D打印椎体外观图
在国产高精度电子束3D打印装备上，解决了高熔点钽金属精准熔化的难题，快速高效打印出个体化钽金属假体，为骨缺损增材制造中的异形性、骨长入和力学问题提供了解决方法。相信在不久的将来，个体化和组配式钽金属3D打印假体能够在经济和普适性方面得以大幅提高，在为广大患者解决病痛的同时，为骨科硬组织修复重建贡献解决方案。
不锈钢
另一种正在使用的植入材料是用于骨板（以及手术工具）的不锈钢。然而，虽然可以使用 EBM 创建这些植入物，但需要执行额外的表面处理步骤以获得合适的产品。因此，目前不锈钢通常通过选区金属激光熔化金属3D打印技术来加工。
根据3D科学谷的了解，不锈钢材料具有可接受的生物相容性、高拉伸强度和弹性模量、低制造成本、可用性、韧性、更高的热导率，因此与钛合金相比，表面光洁度更好。不过由于由于长期降解和合金元素的释放，潜在的炎症反应。Fe 的释放会对细胞产生不利影响，不锈钢主要用于短期植入物和螺钉以及手术工具。以及作为牙科和整形外科植入物以及手术器械的应用。
镁合金
镁及其合金被誉为革命性的金属生物材料，受到了广泛研究和临床探索。根据3D科学谷的市场研究，镁基合金具有可接受的生物相容性、高拉伸强度和弹性模量、低制造成本、可用性、韧性、更高的热导率，因此与钛合金相比，表面光洁度更好。不过镁基合金由于长期降解和合金元素的释放，潜在的炎症反应。Fe 的释放会对细胞产生不利影响，镁基合金主要用于短期植入物和螺钉以及手术工具，以及作为牙科和整形外科植入物以及手术器械的应用。
在科研进展方面，《自然》于2017年首次发表的超纳米双相镁合金是一种具有极强颗粒崩解性且能生物降解的金属；它的应用不仅推进了3D打印的发展，而且开启了4D打印的机遇之门。
不过镁合金的增材制造加工过程中充满挑战，镁合金在3D打印过程会产生严重的粉体飞溅，这是由于镁合金蒸发温度低且蒸汽压高，这种现象与钢、钛或铝合金的AM过程有很大的区别。粉体飞溅会显著降低镁合金增材制造过程的稳定性，因为一些镁粉会沿扫描路径被蒸汽移除，在随后的扫描道次中则很可能在此处产生缺陷，因此在镁合金AM过程中必须采取补充粉体的策略。
SLM制备镁合金的主要目标是得到高的致密度以及避免可能的缺陷，其中最常用的方式是调整过程相关参数（即激光功率、扫描速度、扫描线宽等）。通过提高激光扫描速度或降低激光功率可以降低粉体飞溅；此外，镁合金的化学成分也应根据其不同的裂纹敏感性进行适当的甄选。同时还应提高3D打印时基板的初始温度，以缩小基板与金属粉末之间的温度梯度，从而进一步避免热裂纹的形成。
除了通过SLM基于粉末床的金属3D打印技术，科研机构在探索通过粘结剂喷射3D打印技术制造多孔镁基植入物的耐腐蚀性。延伸阅读请参考3D科学谷发布的《专栏 l 粘结剂喷射3D打印多孔镁基植入物的耐腐蚀性研究》。
智能金属
3D打印的由形状记忆合金构成的血管支架等智能器械已经进入了研发（R&D）和商业化初期阶段。
根据3D科学谷的市场了解，智能金属具有高的生物相容性，在施加外部刺激后恢复原始形状，接近身体转变温度，接近骨弹性模量。不过由于腐蚀而释放 Ni 离子可能会导致安全问题，可能无法长期精确控制成分， AM 增材制造工艺加工参数设置存在挑战，以及后处理条件存在挑战。对于确保形状记忆效应和可打印性是必要的。智能金属可用于心血管支架、正畸和牙套。
参考资料：增材制造可降解镁合金植入物面临的挑战及其对策 / 中国工程院院刊《Engineering》2020年第11期
(责任编辑：admin)
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