3D打印多孔金屬合金個(gè)性化醫(yī)學(xué)植入

來源：激光天地

導(dǎo)讀：截至2019年,，大約有40種不同的商業(yè)金屬3D打印/增材制造系統(tǒng)，每年的全球總銷售額達(dá)數(shù)十億美元,。迄今為止,，用于生產(chǎn)商業(yè)醫(yī)療設(shè)備（尤其是多孔生物醫(yī)學(xué)植入設(shè)備）最方便也最受歡迎的系統(tǒng)是激光和電子束粉末床融合技術(shù)。

即使在構(gòu)建體積相對(duì)較�,。�〜0.09 m3）,，也可以在這些商用機(jī)器中方便地制造許多生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，例如多孔顱面插入物,，各種脊柱插入物以及許多其他骨骼或整形外科植入物,。此外，雖然許多傳統(tǒng)的商業(yè)金屬和合金植入物(尤其是全髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)植入物)是由鍛造或鑄造的錠料制成,，然后數(shù)控加工成特定的患者可用尺寸和表面光潔度,，但激光和電子束3D打印/調(diào)幅系可以直接制造特定于特定患者骨骼尺寸的復(fù)雜和策略性放置的孔隙，并且通常只需要對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行最終拋光,。多余的粉末可以方便地重復(fù)使用,，并且不需要工具，因?yàn)榛颊咛囟ǖ娘@微CT數(shù)據(jù)可以嵌入到CAD軟件中,，以創(chuàng)建復(fù)雜多孔植入物,。2018年中國和印度的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)平均費(fèi)用約為2000美元; 膝蓋植入物的價(jià)格約為1500美元。此外,，中國于2019年將價(jià)格降低20％至50％,，而印度于2015年對(duì)骨科（髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)）植入物實(shí)行價(jià)格管制。

全球整形外科植入物手術(shù)從2012年的170萬例增加到2016年的290萬例,；預(yù)計(jì)到2021年將超過500萬,。自2015年以來，骨科植入物市場排名：美國,、中國,、日本、德國,、法國,、英國,、意大利、巴西,、西班牙,、加拿大、澳大利亞和印度,。到2025年,，全球市場植入性增材制造收入預(yù)計(jì)將超過650億美元。目前,，該市場在商業(yè)上由Stryker,，DePuy，Aesealap,，Zimmer / Biomet,，Smith和Nephew，Synthes和Medtronic等公司主導(dǎo),。到目前為止,，主要的生物醫(yī)學(xué)器械合金是Ti-6Al-4V，但是一些制造商使用的是Co-Cr-Mo合金（尤其是關(guān)鍵部件）,，316 L不銹鋼和鉭,。

粉末床融合（SLM和EBM）技術(shù)在過去兩年中在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，而商用系統(tǒng)則越來越多地用于醫(yī)院3D打印中心或?qū)嶒?yàn)室,，以滿足骨科和其他醫(yī)療部門對(duì)接觸點(diǎn),，患者特定手術(shù)設(shè)備的要求。下圖總結(jié)了使用EBM的粉末床熔融技術(shù)的主要特征,。

圖1. 用于Ti-6Al-4 V產(chǎn)品制造的EBM系統(tǒng)

EBM和SLM加工金屬或合金產(chǎn)品的主要區(qū)別在于SLM粉末床溫度較低,，冷卻或冷卻速度較快。這在一些SLM中產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)變,，產(chǎn)品通常需要熱等靜壓處理(HIPing)來消除這種內(nèi)在應(yīng)變,，以及產(chǎn)品翹曲或其他變形。SLM產(chǎn)品表面通常也更光滑,，對(duì)于某些應(yīng)用來說,，這可能是一個(gè)重要的特性。

Materialize NV目前提供一套軟件,，該軟件利用各種多面體和幾何單位單元生成開孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型。下圖（a和b）提供了這些結(jié)構(gòu)模型的示例,，而下圖（c和d）顯示了模擬骨骼狀泡沫圓柱體的模型構(gòu)造,。

圖2. Ti-6Al-4的開孔構(gòu)件模型示例和電子束加工網(wǎng)(a)和泡沫(b)樣品

近三十年來，使用液態(tài)樹脂的丙烯酸酯生物模型已經(jīng)通過快速原型/立體光刻系統(tǒng)制造出來,，被用來在外科手術(shù)計(jì)劃中創(chuàng)建術(shù)前指南,，包含血管和其他器官等軟組織原型以及用于各種骨骼模型的更堅(jiān)硬的聚合物,。下圖說明了術(shù)前聚合物顱骨模型和定制的多孔（網(wǎng)狀）顱骨Ti-6Al-4V插入物的示例，顱骨板植入物的孔隙率在提供骨細(xì)胞向內(nèi)生長和固定到顱骨上方面尤其重要,。

圖3. EBM制造的Ti-6Al-4 V菱形十二面體網(wǎng)狀顱骨插入件,，用于特定于患者的CAD生成的聚合物頭骨模型。

下圖顯示了用于全髖關(guān)節(jié)成形術(shù)的部件,，包括將器械固定到骨盆的髖臼杯,、連接到股骨柄頂部的特殊聚合物球關(guān)節(jié)以及杯內(nèi)的聚合物襯墊，并且在X光圖像中不可見,。髖臼杯由多孔(通常為網(wǎng)狀)結(jié)構(gòu)制成,，并且通常被擰到骨盆骨上,，從而在通過骨細(xì)胞向內(nèi)生長來穩(wěn)定器械的同時(shí)提供器械的連接。

圖4. X光照片顯示了采用多孔，EBM制造的Ti-6Al-4 V髖臼杯（AC）進(jìn)行的全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)

圖5. Co-Cr-Mo合金EBM制造的股骨網(wǎng)矯治器作為全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的組成部分（a和c）

圖6. 全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的模型視圖,，涉及特殊的多孔股骨長柄Co-Cr-Mo合金矯治器（FS）和多孔長柄Ti-6Al-4 V脛骨矯正器（TS）

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2238785419318873