SLM增材制造多孔生物鈦合金植入材料：機械,、物理和拓?fù)涞膬?yōu)化組合

來源：江蘇激光聯(lián)盟

摘要：骨科植入物的技術(shù)正處在不斷進步的過程中,，用于不斷的提高同周圍骨組織的相互作用,，其目的是為了確保對患者有更好的植入效果,。植入物與周圍骨之間成功的生物學(xué)反應(yīng)主要取決于機械性能,、身體上的和拓?fù)湫再|(zhì)的綜合結(jié)果。因此,， Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)成為解決和提高傳統(tǒng)骨科植入物的最為有效的解決方案,。本文介紹了一系列的解決方案來提高設(shè)計SLM制造Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)的解決措施。

通過三點彎曲來評估制備出來的微孔結(jié)構(gòu)的彈性模量。形貌分析結(jié)果用來評估CAD設(shè)計尺寸和SLM實際制造尺寸之間的差異,。有限元分析（調(diào)整后的CAD）用實驗得到的尺寸數(shù)據(jù)來精確的復(fù)制SLM制造的結(jié)構(gòu)的性質(zhì),。同建立 了設(shè)計的CAD模型為函數(shù)的測量SLM尺寸相關(guān)聯(lián)的線性回歸方程。這個回歸方程通過測量實際的孔隙率同設(shè)計的CAD尺寸之間的關(guān)系來獲得,。測量得到的數(shù)據(jù)可以進一步的用來作為FE分析和設(shè)計的參考,，從而進一步的幫助工程設(shè)計人員來制造近凈成型的SLM制造的微孔Ti6Al4V結(jié)構(gòu)。

此外,，拋光和噴砂后的 Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)表面可以獲得適宜的性能,，同獲得的原始制造表面相比，無論是表面粗糙度和潤濕性,。毛細(xì)試驗 表明所有分析的 Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)均能沿其表面結(jié)構(gòu)進行傳輸液體,。細(xì)胞活力試驗結(jié)構(gòu)則顯示SLM制造的Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)并不會釋放出有毒的物質(zhì)。這表明這種結(jié)構(gòu)可以確保細(xì)胞增殖和附著所具有的適宜的環(huán)境,。這一研究成果還提出了一種設(shè)計 Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計策略,。即既有適宜的機械性能，同時還具有適宜的孔隙率,、粗糙度,、潤濕性、毛細(xì)作用和細(xì)胞成活率,，以上這些性能都同骨科植入物的性能密切相關(guān),。最后，還采取SLM技術(shù)制造了Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)的髖關(guān)節(jié)植入物原型,，同時該植入物所具備的適宜的特征也一同在SLM制造的過程中獲得,。

采用SLM技術(shù)進行制造時從CAD到成品的示意圖

研究成果：提出了SLM制造的實物樣品與CAD結(jié)構(gòu)尺寸之間的線性回歸方程；孔隙率約為65%的Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)且具有適宜的彈性模量,；細(xì)胞活力試驗證明SLM結(jié)構(gòu)并不會釋放有毒性的物質(zhì),；試樣在拋光和噴砂后的表面具有超親水性 ,；采用SLM技術(shù)制造出Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)的髖關(guān)節(jié)植入物 原型,。
SLM技術(shù)是一種高性能的金屬增材制造技術(shù)，該技術(shù)選擇性的熔化金屬粉末,、一道道的熔化,、一層層的依照設(shè)計好的CAD模型進行堆積，從而獲得金屬制品,。SLM技術(shù)具有高度的設(shè)計自由的優(yōu)勢,。使用SLM技術(shù)，工程設(shè)計人員可以設(shè)計出復(fù)雜形狀和具有個性化特征的產(chǎn)品,，如多孔結(jié)構(gòu),。這是傳統(tǒng)的鑄造、鍛造工藝不可能或很難實現(xiàn)的。

對SLM制造的樣品進行三點彎曲測試的機械系統(tǒng)

SLM制造多孔金屬具有廣闊的市場,，這是因為多孔材料特別適合應(yīng)用于生物領(lǐng)域,，尤其是作為骨科植入物。如Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)具有多功能的特性,，可以在一個部件上實現(xiàn)機械性能,、物理性能和生物學(xué)性能的調(diào)制。SLM制造的多孔材料的精度問題是一個比較大的挑戰(zhàn),，這是該技術(shù)本身存在CAD設(shè)計尺寸同SLM打印尺寸之間存在差異造成的,。這種形狀和尺寸上的差異，系統(tǒng)可以探測到,。在這一方面,，需要預(yù)測軟件或在線監(jiān)測技術(shù)來探測兩者之間的差別，從而獲得理想的多孔結(jié)構(gòu),，即物理性能和機械性能均需要滿足要求,。有限元模擬技術(shù)，平衡于實驗實驗研究,，可以作為工程上的一個工具來預(yù)測和校正SLM制造上的固有偏差,。

SP1結(jié)點的FE模擬的網(wǎng)格劃分

植入物和骨的成功的生物學(xué)反應(yīng)取決于植入物的機械性能、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu),、物理和化學(xué)性能,。Ti6Al4V由于具有比強度高、生物相容性好,、耐蝕性能好,、彈性模量同不銹鋼和Co基合金相比要低得多，從而廣泛的應(yīng)用于矯形外科手術(shù)中,。然而,，Ti6Al4V（大約為110GPa）的彈性模量同人體皮質(zhì)骨相比（10-30GPa）相比仍然較高。這就導(dǎo)致植入材料和周圍的骨頭存在剛度不匹配的問題,，從而會在界面產(chǎn)生應(yīng)力分布不充分均勻的問題,。圍繞植入物的骨吸收直到一個特定的臨界點才發(fā)現(xiàn)，一般是在植入手術(shù)10-20年之后才會發(fā)生,，此時需要進行翻修手術(shù),。在這里，Ti6Al4V結(jié)構(gòu)材料同骨的彈性模量不匹配,，其彈性模量匹配就可以通過減少和避免同骨頭的剛度不匹配的問題,。

SP1、SP3,、SP5鈦合金微孔結(jié)構(gòu)的SEM照片

植入材料的拓?fù)鋬?yōu)化直接影響到骨頭的生物學(xué)效應(yīng),。臨床實踐證明,，中等表面粗糙度（Ra=2-4μm）會導(dǎo)致早期康復(fù)、促進細(xì)胞的擴散和組織的融合,。同時,，也有報道稱可以促進骨細(xì)胞的分化、減少破壞骨生長的細(xì)胞,，同時促進骨的長合和礦化作用,。

同一尺度下，CAD設(shè)計的尺寸和SLM實際打印尺寸之間的比較

植入物的表面能是另外一個重要的表面特征,，同樣對植入物和骨的長合具有十分重要的作用,，這一特征通常采用固-液接觸角（潤濕角）來間接測量。同時也有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)親水性的表面更有利于細(xì)胞的黏附,、細(xì)胞的分化,、細(xì)胞的礦物化。毛細(xì)作用是一種液體可以通過狹窄空間并反抗外力（如重力）而實現(xiàn)反向流動的能力,。毛細(xì)能力對支架的細(xì)胞黏附和細(xì)胞的自我播種也具有非常重要的能力,。

SP3、SP5 樣品在SLM沉積態(tài),、拋光和噴砂三種不同狀態(tài)下的SEM照片

在這里,，Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計并通過SLM設(shè)備進行了制造，其目的是為了獲得適宜的彈性模量,、孔隙率,、表面粗糙度、潤濕性以及毛細(xì)能力的綜合性能的植入物,。

SP4樣品在沉積態(tài)時的親水效果

sp5樣品在（a）拋光狀態(tài)下和（b）噴砂狀態(tài)下的親水實驗結(jié)果

毛細(xì)實驗的時間跨度及其相應(yīng)地高度結(jié)果

SLM中制造的Ti6Al4V 微孔髖關(guān)節(jié)植入物的原型

Additive manufactured porous biomaterials targeting orthopedic implants: A suitable combination of mechanical, physical and topological properties,，Materials Science and Engineering: C，Volume 107, February 2020, 110342,，https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.110342