顱頜面硬組織植入用3D打印鈦合金材料的研究進展
時間：2017-03-01 22:03 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
目前，3D打印技術已經憑借優異的可定制性成為醫療領域的寵兒。而在醫用材料上一直有著很大限制。醫用金屬材料用于外科植入物和矯形器械的主要有： 不銹鋼、鈷基合金和鈦合金三大類 。鈦合金是硬組織植入物臨床使用中最普遍的材料，由于其良好的生物相容性 及機械性能，也成為最理想的顱頜面植入物材料 。醫用鈦板、鈦釘、鈦網等植入物已廣泛應用于口腔頜面部外傷后內固定及頜面骨組織切除后功能性修復重建等包括上頜骨、下頜骨、眶壁、顱骨、乳突切除等，也可制作顱骨板用于顱骨的整復、微孔鈦網修復損壞的頭蓋骨和硬膜。口腔內制作種植體、個性化基臺、義齒支架、冠橋等鈦合金材料在口腔種植、口腔正畸等領域也有良好的臨床效果。顱頜面硬組織植入修復體的材料和制備工藝是影響修復體質量的主要因素，也是頜面修復重建外科手術成功的關鍵。
1 顱頜面鈦合金植入常用材料的生物學性能
1.1 醫用鈦合金材料的生物相容性
鈦合金與人體之間相 互作用后產生的各種物理化學，生物電學等反應或耐受能力，如細胞毒性、基因毒性、腐蝕性、溶血性、過敏性等 各方面都具有良好的生物相容性，比不銹鋼和鈷基合金都要強。 鈦合金的顯微組織分類有α型（如純鈦系統）、α+β雙相混合型（如Ti6Al4V等）或者β型鈦合金。在進行醫用鈦合金材料顯微組織分類選型設計時，合金中的不同的組成元素應無不良反應。第一代Ti－6Al－4V（TC4）是典型的α+β兩相高溫鈦合金，但此類合金含有V、Al對生物體有毒副反應，且臨床應用發現V生物毒性要超過Ni和Cr。第二代是以Nb、Fe替代V的α+β型鈦合金Ti－6A1－7Nb和Ti－5A1－2.5Fe先后在瑞士和德國開發出并 納入國際生物材料標準 。
第三代低模量化近β型醫用鈦合金Ti－13Nb－13Zr、Ti－12Mo－6Zr－2Fe（TMZF），Ti －29Nb－13Ta－4.6Zr（TNTZ）等成為全球醫用鈦合金材料的研究熱點和主攻方向。Ti－13Nb－13Zr是美國1994年研制且第一個被正式列入國際標準的醫用鈦金。Ti－12Mo－6Zr－2Fe（TMZF）在2000年已被用來制造髖關節假體系統的股骨柄。這些新型β鈦合金的彈性模量都比較低，有著良好的生物學相容性，防止骨密度下降以及降低植入體的失效幾率具有十分重要的意義 。 影響生物相容性的因素有植入物材料類型、器件形態及其表面形貌、組成、物理化學性質及力學性質等。為了
改變生物材料表征和生物學性能，應用不同處理工藝的方式可以在較大范圍內控制顯微組織的形態，進一步提高其生物相容性和成骨性能 。常規性處理方法大致可分為機械法、物理法、化學法和電化學法，包括有噴砂、等離子鈦漿噴涂、羥基磷灰石涂層、微弧氧化、酸蝕或噴砂酸蝕結合等處理的鈦及鈦合金能夠促進表面類骨磷灰石的形成，縮短骨愈合過程都有利于新骨組織長入形成機械結合，從而提高植入物與骨組織的結合強度。
1.2醫用鈦合金材料的生物力學相容性
自20世紀40年代以來，很多學者開展了鈦生物學性能相關性研究，研究涉及材料物理、化學、生物醫學及先進電子顯微及生化分析等多個學科。保證鈦合金植入物良好的生物相容性、力學相容性以及相應標準、工藝等問題是研制開發外科植入物產品的關鍵，現將應用于顱頜面硬組織鈦合金植入物材料的相關研究做一簡述如下。
1 顱頜面鈦合金植入常用材料的生物學性能
1.1 醫用鈦合金材料的生物相容性
鈦合金與人體之間相 互作用后產生的各種物理化學，生物電學等反應或耐受能力，如細胞毒性、基因毒性、腐蝕性、溶血性、過敏性等 各方面都具有良好的生物相容性，比不銹鋼和鈷基合金都要強。 鈦合金的顯微組織分類有α型（如純鈦系統）、α+β雙相混合型（如Ti6Al4V等）或者β型鈦合金。在進行醫用鈦合金材料顯微組織分類選型設計時，合金中的不同的組成元素應無不良反應。第一代Ti－6Al－4V（TC4）是典型的α+β兩相高溫鈦合金，但此類合金含有V、Al對生物體有毒副反應，且臨床應用發現V生物毒性要超過Ni和Cr。第二代是以Nb、Fe替代V的α+β型鈦合金Ti－6A1－7Nb和Ti－5A1－2.5Fe先后在瑞士和德國開發出并 納入國際生物材料標準 。
改變生物材料表征和生物學性能，應用不同處理工藝的方式可以在較大范圍內控制顯微組織的形態，進一步提高其生物相容性和成骨性能 。常規性處理方法大致可分為機械法、物理法、化學法和電化學法，包括有噴砂、等離子鈦漿噴涂、羥基磷灰石涂層、微弧氧化、酸蝕或噴砂酸蝕結合等處理的鈦及鈦合金能夠促進表面類骨磷灰石的形成，縮短骨愈合過程都有利于新骨組織長入形成機械結合，從而提高植入物與骨組織的結合強度。
骨與關節的替代 物在人體會受到各種的彎曲、擠壓、拉伸、剪切等生物力學 作用，因此對植入物極高的力學性能要求。機械性能決定如何選擇一種特殊的應用金屬材料類型，其中最重要的屬性是硬度、抗拉強度、彈性模量、耐磨性、疲勞性能、和延伸率等。如果一個骨植入物因強度不足或在骨和植入物之間的力學性能不匹配，那么這個被稱為生物力學不相容。鈦合金目前常用兩種方法研究以試圖減少或解決應力遮擋現象，獲取良好的生物力學相容性：其一開發新型醫用鈦合金降低鈦合金的彈性模量和提高鈦合金生物活性的研究。α型（含Al及O、N等氣體元素）、β型（含Mo、Nb、Ta、V等）和α+β型三類鈦合金顯微組織類型中的β型可再細分為近亞穩定β合金、亞穩定β合金及穩定β合金。對合金進行不同的處理控制α相和β相的適當比例及分布，形成不同的組織從而改善其力學性能。
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