中國粉體網(wǎng)訊  增材制造又稱3D打印，雖然早在1992年美國麻省理工學(xué)院就研制出該項技術(shù)，但直到近年來，由于打印機(jī)的市場化、噴頭技術(shù)和三維數(shù)字化技術(shù)的飛躍，3D打印才再次成為科研和應(yīng)用研究的熱點，特別是在醫(yī)療領(lǐng)域和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

3D金屬打印簡易工藝流程圖

3D打印技術(shù)初期多采用樹脂材料，但樹脂僅能作為模型使用，無法植入人體，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域人體植入物材料的研究重心即從樹脂材料轉(zhuǎn)移到金屬材料、陶瓷材料、生物材料、復(fù)合材料等。因目前金屬打印技術(shù)更為成熟，金屬材料倍加重視。

在醫(yī)學(xué)廣泛應(yīng)用的骨科植入物金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金、鈦及鈦合金、貴金屬和純金屬（鉭、鈮等）5大類。

不銹鋼

醫(yī)用不銹鋼與工業(yè)用不銹鋼不同，最突出的特點就是作為植入物要求其在人體內(nèi)保持優(yōu)良的耐蝕性能，盡量沒有有害金屬離子溶出。由于不銹鋼中含有的鎳元素對人體細(xì)胞有明確的危害，因此低鎳和無鎳奧氏體不銹鋼已經(jīng)成為國際醫(yī)用不銹鋼的應(yīng)用趨勢。

目前臨床上大量應(yīng)用的主要是Fe-Cr-NiMo成分體系的奧氏體不銹鋼，編號為316L、317L。但由于不銹鋼材料本身的缺陷過多，如：彈性模量過高（約200GPa），與骨組織相差大，應(yīng)力遮擋效應(yīng)過于明顯；在生物環(huán)境中的腐蝕問題依然存在，而且植入人體時間越久，腐蝕程度越嚴(yán)重，造成發(fā)炎、過敏等不良反應(yīng)，影響人體健康；低鎳的醫(yī)用不銹鋼仍有Ni、Cr等金屬離子溶出導(dǎo)致的組織反應(yīng)問題，比如Ni接觸性皮炎、過敏性濕疹、Ni毒性效應(yīng)等。因此，不銹鋼材料在臨床應(yīng)用和醫(yī)學(xué)科研方面的應(yīng)用逐漸進(jìn)入“冷宮”狀態(tài)。

純鈦及鈦合金

純鈦因為抗腐蝕性能優(yōu)良，但強(qiáng)度較低、耐磨性較差，多在口腔領(lǐng)域用于義齒、牙種植體、顱頜釘板等，顯然不適合骨科系統(tǒng)，特別是在強(qiáng)度方面，從而限制了它在骨科較大承載力部位的使用。

鈦合金分為以下三類：α合金，（α+β）合金和β合金，在我國分別以TA、TC、TB表示，其中α合金為密排六方晶格結(jié)構(gòu)，β合金為體心立方晶格結(jié)構(gòu)。

發(fā)展至今的第三代鈦合金外科植入物即具有高強(qiáng)度、低彈性模量、優(yōu)異成形性和抗腐蝕性能的β鈦合金，相較第一代/第二代鈦合金，其更適于作為人體內(nèi)植入物。目前作為鈦合金材料研究的重點，將來有可能取代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中現(xiàn)廣泛使用的Ti-6Al-4V合金。

在美國，已有5種β鈦合金被推薦至醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，即TMZFTM（TI-12Mo-Zr2Fe）、Ti-13Nb-13Zr、Timetal21SRx（TI-15Mo2.5Nb-0.2Si）、Tiadyne1610（Ti-16Nb-9.5Hf）和Ti15Mo。

鈷基合金

又稱鈷鉻合金，是一種硬質(zhì)合金，耐磨損、耐腐蝕，還具有抗高溫氧化的性能，即通常所說“司太立”合金。鈷基合金是以鈷作為主要成分，主要分為兩類：一類是Co-Cr-Mo合金（F75），另一類是Co-Ni-Cr-Mo合金（F562），都是主要用于制造關(guān)節(jié)置換假體的連接件部分。

美國材料實驗協(xié)會列出了4種鈷基合金，被推薦在外科植入物中使用：1）可鑄造的鈷鉻相合金（F75）；2）可鍛造的鈷鎳鉻鋁合金（F562）；3）可鍛造的鈷鉻鎢鎳合金（F590）；4）可鍛造的鈷鎳鉻鋁鎢鐵合金（F563）。上述的4大類醫(yī)用鈷基合金目前僅有兩種合金（F75和F562）被廣泛用于制作人體植入物。

鈷基合金具有極好的機(jī)械性能，良好的生物耐受性和非常高的體內(nèi)耐腐蝕性，因此它們被廣泛應(yīng)用于長期植入人體的人工關(guān)節(jié)部件，曾經(jīng)金屬對金屬界面被認(rèn)為是有史以來最耐磨的硬性界面，但由于不可預(yù)知的金屬離子對人體的危害，導(dǎo)致產(chǎn)品應(yīng)用受到極大限制。

其他貴金屬和純金屬

醫(yī)用稀有貴金屬主要包括金、銀、鉑、鈮、鋯、鉭等。近年來已有大量基礎(chǔ)研究和臨床實踐表明，在無毒性和生物相容性方面表現(xiàn)較佳的排在前3位的金屬材料是：鈮、鉭、鈦。

鉑（Pt）是硅膠和凝膠生產(chǎn)過程中的催化劑，包含美國食品藥品管理局在內(nèi)的多個機(jī)構(gòu)在進(jìn)行調(diào)查后，并未發(fā)現(xiàn)鉑在體內(nèi)具有毒性的證據(jù)，因此鉑金硅膠是多種醫(yī)療植入物的成分，例如關(guān)節(jié)修復(fù)體、人工腰椎間盤等等。

鈮（Nb）很少單獨使用，主要用于制造超級合金，如硅-鈮合金、鈦-鈮合金、鋯-鈮合金，作為一種優(yōu)秀的添加劑可以大幅改善合金的性能。有資料顯示鈮具有很好的生物適應(yīng)性：用鈮片網(wǎng)可以彌補(bǔ)頭蓋骨的損傷；鈮絲可以用來縫合神經(jīng)和肌腱；鈮條可以代替折斷了的骨頭和關(guān)節(jié)；鈮絲制成的鈮紗或鈮網(wǎng)，可以用來補(bǔ)償肌肉組織。

鋯由于既能結(jié)合金屬，又能在高溫下形成氧化物陶瓷表面，工程材料學(xué)上常以鋯鈮合金為基礎(chǔ)，利用高溫在其表面原位形成氧化陶瓷層，可以獲得表面高耐磨、整體高強(qiáng)韌的醫(yī)學(xué)植入材料。氧化鋯陶瓷的性能超越第一代的氧化鋁陶瓷，已經(jīng)成為硬性磨損界面的新一代產(chǎn)品。

鉭具有極佳的生物惰性和生物相容性，從1940年純鉭首次被應(yīng)用于骨科領(lǐng)域，至今已應(yīng)用于臨床80余年。在骨關(guān)節(jié)領(lǐng)域大量使用的多孔鉭技術(shù)，如初次髖關(guān)節(jié)置換的臼杯、髖膝缺損部位的墊塊等，以及多孔鉭棒植入治療早期股骨頭壞死，目前已有大量的長期隨訪安全有效的報道。

可吸收金屬材料

可吸收金屬材料主要分為：鎂基材料、鋅基材料和鐵基材料，其中鎂在體內(nèi)降解速度最快，其次是鋅，鐵降解較慢，目前研究和使用較多的是鎂基材料，可以分為純鎂和鎂合金，純鎂由于降解過快，較少使用，可降解的鎂合金是研究熱門材料。作為3D打印的金屬材料需對其在生物體內(nèi)的降解過程及離子的濃度監(jiān)測作為首要的研究重點。

參考來源：金屬3D打印原理及可行性的醫(yī)用金屬粉體材料綜述，許瑋，福建省立醫(yī)院、福建省急診醫(yī)學(xué)重點實驗室（創(chuàng)傷研究室）

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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