新研究发现钛合金医疗植入物非常有效

3D打印钛合金工艺

与传统工艺相比，3D打印技术制造个性化外科植入物外形的优势主要体现在：3D打印自由成形特性可以快速、精准地定制内部植入物，可以克服传统通用植入物外形与人体不相容以及力学性能不达标的问题；在制造结构复杂、难加工的产品时，个性化的微结构，特别是多孔贯通结构，不仅可以满足特定的理化性能，还可以增强生物组织相容性。

这一系列优点可以有效克服植入物常见的应力遮挡、生物活性低等问题，目前最常用、应用最为广泛的3D打印钛合金为SLM技术和EBM技术。

选择性激光熔化（SLM）技术是利用激光作为热源，选择性地照射预先铺放的粉末材料，实现快速熔化成形。其主要工作原理是在惰性气体保护环境下，仪器设备根据系统设计模式生成的填充扫描路径控制激光束选择并熔化各层粉末。

然后将平台下移，再次铺放粉末并重复烧结，直至形成整体形状。惰性气体保护可防止金属在高温下与其他气体发生反应。SLM技术成形材料范围非常广泛，节省材料且可回收利用，不需要设计和制备复杂的支撑系统，这一系列优点使得SLM技术得到越来越广泛的应用。

但是SLM也存在一些缺点：因为受限于激光功率和扫描振镜偏转角度，SLM制备的部件尺寸范围会受到限制；大功率激光器和高品质光学设备制造成本昂贵，一定程度上增加了经济负担；由于SLM技术中使用粉末材料，成型件的表面质量可能存在问题，需要对产品进行二次加工才能用于后续工作；加工过程中还可能出现球化、翘曲等缺陷，需要进一步严格优化加工工序电子束熔化，EBM是一种利用电子束作为热源，在真空环境下逐层熔化金属粉末进行增材制造的工艺。

其工作原理是：预先涂敷粉末，高能电子束偏转聚焦后产生高能量在局部小区域内扫描使粉末层产生高温甚至熔化，通过电子束连续扫描产生的能量使熔池间发生熔合凝固，连接成线状和面状的金属层。

完成当前层后，重复铺粉操作成型。在生产过程中，EBM采用真空气熔化环境，保证材料的高强度，避免合金的氧化。与SLM相比，EBM的主要优势有：电子束功率的高效产生消耗功率少，生产速度高，使整机实际总功率高；电子束的偏转不需要移动设备部分，进一步提高了扫描速度；良好的热环境保证了3D打印部件的形状稳定性，保证了其静态力学性能，满足生物要求，金属粉末还可以回收利用。

3D打印外科植入物的现状与进展

3D打印外科植入物和矫形器在骨科领域有着广阔的应用前景。现在越来越多的3D打印植入材料如助听器、假肢、个性化骨科手术导板、人工关节、人工外耳、个性化种植牙等在临床个性化治疗中的应用。据介绍，2014年，北京大学科研人员成功为一名12岁男孩植入个性化带微孔3D打印人工脊椎，为全球首例。同年，医生和科学家为苏格兰一名5岁女孩安装3D打印假手掌。

解放军第411医院口腔专科中心利用EBM技术为一名半上颌骨切除术患者成功定制并植入高度个性化模拟解剖的下颌骨钛合金植入物。术中一次性完成患侧下颌骨切除及个体化功能修复，并对缺损下颌骨进行个体化修复重建，术后效果满意。Lethaus B等研究者在20例下颌骨切除术患者中采用3D打印技术重建骨及微血管瓣，缩短了手术时间，提高了手术质量，术后效果良好。近年来，类似的新闻与研究层出不穷，充分体现了3D打印在医疗领域良好的应用前景。

在骨科产品方面，3D打印手术植入材料也逐渐走向商业化、市场化。2007年，意大利Adler Ortho公司和LIma-LTO公司研发的带硬组织支架的生物3D打印髋臼杯通过了CE认证。Exactech公司的产品在2010年获得了FDA的批准。2009年，美国AMT公司利用3D打印生产的全钛金属体融合器也通过了欧盟CE认证。2013年，美国第一款生物打印颅骨植入物产品获得FDA批准，这也是全球首个个性化3D打印PEEK颅骨植入物模型。

在此基础上，2014年，美国牛津公司3D打印颌面骨制品（5IOK模式）获得FDA批准。另外，有消息称，2015年9月，北京医科大学第三医院、北京爱康医成医疗器械有限公司研制的3D打印人体植入物——人工髋关节，已获得国家药监局注册。3D打印髋关节已进入“量产阶段”，这意味着我国3D打印植入物也已步入量产阶段。

3D打印技术在医疗科技创新中展现出越来越重要的作用，各种个性化植入假体、假肢、牙种植体等方面的研究和应用也越来越广泛，因此，利用这种新工艺制备的植入物的生物安全性评价需要越来越受到重视。

3D打印钛合金生物安全性研究

生物医用材料的安全性主要体现在组织与材料之间的相互作用上。生物医用金属材料要达到植入器械的标准，必须要求植入人体后引起的反应在可接受的水平，同时不能诱发材料结构和性能发生质的变化。人体与人体之间的相互作用主要体现在其生物相容性和生物功能性上。

因此植入人体后，植入物不应引起人体细胞、血液和器官的过敏、炎症、化学等不良反应，也不应引起人体异物的排斥反应。同时也要求需要长期植入的植入物必须具有良好的静态力学性能，即具有足够的强度、合适的弹性模量、较高的稳定性、良好的耐腐蚀性能和持久的耐久性。现在钛合金的外科植入在临床上应用广泛，生物相容性研究也已成熟。因此，与3D打印相关的钛合金部件的安全性主要关注其生物力学功能的安全性。

3D打印金属植入物在力学性能、耐腐蚀性能、生物相容性等方面是否能与传统工艺的一般植入产品相媲美，该合金植入物的部分静态力学性能是否能满足临床应用和国家标准等研究仍在进行中。研究发现，3D打印钛植入物的部分静态力学性能可以满足临床需要。对EBM技术制备的Ti6A14V样品进行了直接拉伸试验和热等静压试验，结果表明，TI6A14V样品的强度超过了锻造标准。

采用SLM技术制备的Co-Cr-Mo合金的耐腐蚀性能与传统工艺制备的合金相当，在模拟唾液环境中离子溶出量小于传统工艺合金；EOS公司发现采用DMLS技术制备的Ti6A14V产品通过合理的后处理，具有与传统锻件相当的静态力学性能和抗疲劳性能；采用EBM制备的多孔钛合金椎体融合装置在羊颈椎融合模型中植入山羊体内，取得良好效果，骨-材料界面优于PEEK融合装置。

临床上，钛合金的弹性模量等力学性能与人体骨骼性质不匹配，会导致植入物周围骨组织出现“应力遮挡”现象，造成骨质疏松，导致植入物骨质吸收、松动脱落、失效。为了减少钛植入物的这一问题，多孔结构植入物进入了研究者的眼球。现在有研究表明，3D打印可以高精度调整植入物的微观结构，改变其弹性模量和力学性能，从而在保证合适生理负荷的基础上，与人体骨组织匹配，进一步提高生物力学功能。

采用EBM成形技术制备出可控结构的Ti6AI4V体，在扫描电镜下观察发现其内部空隙结构与理论设计一致，实现了EBM对3D打印制品结构的精准控制。通过力学性能测试，在60.1%孔隙率下对应的抗压强度为163MPa，弹性模量为14MPa，与人体骨接近。体外细胞培养也表现出良好的细胞相容性。

采用EBM技术通过优化设计参数制备多孔支架，并对其力学性能进行评价，发现所设计的多孔材料在相容性和植入匹配性的模拟上具有较高的生物力学优越性。将SLM制备的300gm、600gm、900~m三种多孔钛植入兔胫骨，探讨孔隙率对骨生长的影响。结果表明，具有600~m多孔结构的骨组织具有更好的长度和生物相容性。

从骨骼生长的角度考虑，具有可调孔隙率和孔径的支架将更有利于人体营养物质的传输和输送，还能促进骨骼生长的能力，增加植入物与骨床的结合，延长假体的使用寿命，从而获得比实体结构钛合金更好的医疗效果。近年来多孔钛合金逐步被认为是临床最理想的新型硬组织修复替代材料，而具有各种微观结构或贯通结构的3D打印钛合金植入物的应用也开辟了新的领域。