打印金属基生物材料工艺和临床应用的问题与趋(2)
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【摘要】2.2.1 钛基金属材料 钛(Ti)是3D打印中使用最广泛的金属材料,具有高的机械强度、低弹性模量、低密度、高耐蚀性和良好的生物相容性等优点,应用于负重
2.2.1 钛基金属材料 钛(Ti)是3D打印中使用最广泛的金属材料,具有高的机械强度、低弹性模量、低密度、高耐蚀性和良好的生物相容性等优点,应用于负重植入物,例如膝关节和全髋关节置换。尽管与其他金属生物材料相比钛的成本更高,但凭借独特的性能使其能够在长期使用中达到更高的成本效益[16-17]。目前,在90%的传统骨科植入物中首选的生物金属是Ti-6Al-4V(TC4)和商业纯钛(CP-Ti)[18]。
植入物的临床成功与否不仅取决于出色的耐腐蚀性和良好的组织反应,还取决于其功能设计[19]。传统致密的金属植入物由于其密度、刚度和弹性模量比骨组织差异大,容易引起应力屏蔽效应,导致植入物无菌性松动[20]。由钛合金粉末制备的多孔金属植入物可以改变孔隙梯度孔径、不同的孔及孔之间的三维分布设计,改善金属植入物的弹性模量[21]。此外研究表明,多孔钛合金植入物具有良好的骨向内生长能力,支持人体骨细胞的生长,增大植入物接触表面积,并在植入物和骨骼之间形成牢固的扭转锁,显著提高植入物的成功率[22]。多孔结构的另一个显著特征是其高比表面积,可以通过表面改性改善3D打印多孔医用金属植入物的表面生物活性、耐磨性和抗凝性,进一步提高稳定性和长期有效性。目前,选择性激光融化和电子束熔化是3D打印钛合金最常用的技术[23]。临床组织学实验表明,3D打印植入物比常规植入物具有更快的骨整合率[24]。上述对钛基材料的研究大多集中在微观结构和机械特性的改进上,因此在生物相容性方面仍有很大的验证空间。有学者通过体内实验研究选择性激光融化和电子束熔化制备钛合金植入物的生物相容性[25]。PALMQUIST等[26]将电子束熔化打印的多孔和无孔致密TC4植入物分别植入绵羊两侧的股骨及背部皮下评估其骨整合能力,结果显示,在植入26周后多孔和无孔植入物表现出良好的软组织生物相容性和高度的骨整合度,且多孔植入物与骨骼的接触率更高,最高可达57%,表明电子束熔化制备的多孔TC4植入物在骨骼和软组织修复中具有一定的发展前景。除了这些研究结果外,近年来还报道了一些成功植入3D打印钛植入物的手术,这些报告表明个性化的医疗植入物可减少手术和住院时间,从而降低总体医疗成本,证实了3D打印钛基金属材料在临床应用中具有巨大的潜能。
表1 |3D打印技术制备金属基生物材料特点技术名称 适用金属 加工参数 优点 缺点选择性激光烧结[9]内部结构多孔,表面光洁度高,需要后期处理;可打印精度受所用材料颗粒大小的限制;表面粗糙选择性激光熔化[10]钛合金;钴铬;不锈钢激光烧结;粉末;惰性环境;二氧化碳(9.2-10.8 μm);扫描策略:单向和双向充填可打印材料多;材料利用率高;无需支持悬挂结构的打印所有金属 激光熔化;粉末(尺寸:10-45 μm);惰性环境(Ar或N2);Nd-YAG 激光 (1.064 μm)/光纤激光 (1.09 μm);扫描策略:单向和双向填充/孤岛扫描/轮廓熔化能够在印刷过程中调整制成品的性能;直接成本相对较低;功能全面,包括减少组装时间,提高材料利用率等;制造零件机械性能良好昂贵;与传统机加工相比,由于打印速度限制,过程相对较慢;颗粒尺寸限制严格激光金属沉积[11]所有金属 激光熔化; 粉末(尺寸:20-200 μm);惰性环境(Ar或N2);Nd-YAG激光(1.064 μm);扫描策略:单向和双向填充变形小,允许印刷高熔点金属;能够制作网状的零件和功能梯度材料尺寸精度低; 表面粗糙度差激光工程网成形[12-13]钛合金粉末,钽粉末激光熔化;氩气;达4 kW的高功率激光器(固态或光纤激光;改善零件的表面改性;冷却效果好,制作效率高粗大的柱状晶组织;尺寸精度和表面光洁度较差电子束熔化[14]所有金属 电子束熔化;功率(尺寸:45-106 μm);真空和少量氦气的腔室;扫描策略:单向和双向填充/斑点模式印刷零件的密度高;产品强度高,真空熔化杂质少;可制造脆性材料;可以同时生产多个零件需要真空环境;表面光洁度差;昂贵的设备
2.2.2 钴铬合金 钴铬合金是主要由钴(Co)和铬(Cr)组成的高温合金,它们具有出色的耐腐蚀性、机械性能和生物相容性,是理想的承重植入物[27]。钴铬合金最早用于人造关节,现在已被广泛用于口腔科,由于它们不含镍和锑等有害元素,因此3D打印钴铬合金烤瓷牙已成为非贵金属烤瓷装置的首选[28]。此外,对选择性激光熔化制备牙科,钴铬合金的微观结构、机械性能、腐蚀性和生物相容性进行了广泛研究[29],这些研究表明,3D打印的钴铬合金牙科植入物可以准确地模仿牙槽骨的自然结构,且在表面覆盖密集的贯通孔隙以促进成骨细胞的再生。HAZLEHURST等[30]使用选择性激光熔化来制造孔隙率范围为25%-95%的钴铬钼(CoCrMo)多孔结构,这些多孔结构的刚度和强度类似于人股骨的皮质骨和松质骨,证明多孔结构可以减少植入物75%-80%的有效弹性模量,使应力屏蔽最小化,增强长期的骨整合稳定性[31]。但是作为承重植入物,钴铬合金放置在人体内部时仍然存在磨损和腐蚀问题,而由此产生的金属离子释放将导致各种医学并发症,致植入物失败。SAHASRABUDHE等[32]通过激光工程网成形技术制备了含3%CaP的钴铬钼合金,发现样品磨损率仅为纯CoCrMo合金的1/3,且Co2+和Cr2+的释放量也减少了4倍。
文章来源:《中国口腔颌面外科杂志》 网址: http://www.zgkqhmwkzz.cn/qikandaodu/2021/0422/420.html
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