打印金属基生物材料工艺和临床应用的问题与趋(4)
【作者】网站采编
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【摘要】2.2.6 钽基金属材料 钽具有“亲生物”金属之称,其独特特性包括低弹性模量、耐腐蚀性、优异骨整合特性、生物相容性、组织向内生长特性及高表面摩擦
2.2.6 钽基金属材料 钽具有“亲生物”金属之称,其独特特性包括低弹性模量、耐腐蚀性、优异骨整合特性、生物相容性、组织向内生长特性及高表面摩擦力。临床研究已经验证多孔钽植入物在各种临床环境中的应用,并尝试使用新的制造技术来制造多孔或固态钽零件。BALLA等[49]首次通过激光工程网成形在钛上涂覆钽,与钛表面相比,钽涂层显著改善了骨整合性能。随后,他们还使用激光工程网成形制备了具有不同孔隙率的钽多孔结构[50],该制造方法通过将孔隙率调整在27%-55%之间使其杨氏模量范围为1.5-20 GPa,而且多孔钽结构促进细胞的黏附、增殖、分化,甚至早期生物固定。但由于钽的熔点超过3 000 ℃,使得市场上的大多数3D打印设备无法使用钽粉。为解决这一问题,有学者提出应用可以完全溶解钽粉的选择性激光熔化技术生产孔隙率几乎为零的高强度零件。WAUTHLE等[51]使用选择性激光融化制备具有相互连接的多孔纯钽植入物,与多孔TC4相比具有更加优异的骨传导性能、更高的抗疲劳强度和高延展性,证实了通过选择性激光融化技术可生产具有可调机械性能和生物性能的多孔钽植入物。
2.2.7 其他金属基材料 在生物医学领域中,钛、钴铬合金等金属是研究及应用较为成熟的金属基生物材料,316L不锈钢、铜(Cu)也因其优良的理化特性受到广泛关注。316L不锈钢是生物医学应用中常用的金属之一[52],虽然316L不锈钢中碳含量相对较低、耐腐蚀性良好,但通过观察其在高应力耗氧环境下发生腐蚀的可能性明显增大[53-54],尽管如此,316L不锈钢仍因价格低廉及机械性能和生物相容性优越等优势成为前景可观的生物相容性材料[55]。因此目前研究人员对316L不锈钢的研究主要集中在应用选择性激光融化的工艺参数来改善所制造零件的几何和微观结构特性,如表面粗糙度、表面完整性、高密度和残余应力[56-58]。铜在选择性激光融化过程中预热温度较低,粉末流动性好,成形件的后处理较为容易,但对激光反射率较高,从而造成未熔、孔洞、裂纹等缺陷,降低了加工零件的质量和性能。目前铜打印的研究热点与难点在于如何提高铜对激光的吸收,以优化增材制作工艺[59]。
2.3 3D打印金属基生物材料临床应用金属3D打印技术在生物医学领域中的兴起极大地引领了其在整形外科和牙科植入物中的应用,以下将对金属基生物材料在骨科、口腔科及心血管设备的临床应用加以阐述。
2.3.1 骨科应用 骨科领域是金属3D打印技术发展之后最具有发展潜力的生物医学领域之一[60]。由于人体的多样性和骨缺损部位的随机性,金属3D打印技术模仿自然结构(骨骼等)特性的复杂设计能力是其他传统制造方法所无法比拟的,同时能够实现对患者进行“量体裁衣”的治疗方案,满足不同人群对精准医疗的盼望与需求[61]。郭征教授带领的团队采用金属 3D 打印技术制备与患者锁骨和肩胛骨完全一致的钛合金植入假体,并通过手术成功将钛合金假体植入骨肿瘤患者体内,在世界范围内首次实现肩胛带不定形骨重建,标志着 3D 生物打印个体化金属骨骼修复技术的进一步成熟[62]。金属基骨修复支架是骨科植入物替代人体器官的最佳选择之一,3D打印为制造具有复杂设计、高度互联孔隙的支架开辟了新的可能性[63]。已有学者通过实验证明,选择性激光融化和电子束熔化具有尺寸精度高、成型分辨率高、环境清洁、材料节约、可定制性高等优点,在金属细胞支架制造中具有巨大的潜力[64]。
2.3.2 口腔医学应用 口腔金属生物材料常用于修复牙体缺损、牙列缺失、牙齿矫形及颌面部骨重建。由于口腔内呈弱碱性环境且需承受一定的咀嚼力,这种特殊的微环境使口腔的金属材料发生易腐蚀变化,金属离子及其衍生物析出,长期与机体直接接触后机体将发生过敏、细胞毒性等不良反应[65]。因此,口腔金属材料应具有良好生物相容性、耐腐蚀性能、耐磨性,目前较为常用的钴铬合金和钛合金[66]。
在口腔修复科的应用中,金属生物材料主要用于金属冠桥、活动义齿支架等的制作,其中由选择性激光融化技术所制作的钴铬合金固定冠桥应用最为广泛[67]。实验表明,由3D打印技术制备的金属冠金瓷结合力和耐腐蚀性均明显优于铸造钴铬合金烤瓷金属基底冠[68-69]。HU等[70]利用口内扫描和选择性激光融化技术制作以钛基为支架的活动义齿,替代了传统压印和浇铸技术,减少了椅旁时间,增加了义齿使用舒适度,质量稳定,证明利用3D打印技术制作金属材料修复体能有效提高修复体多项性能,操作简便,适合应用于临床。
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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