3D打印醫用多孔鈦合金應用現狀
時間：2022-01-05 13:59 來源：鈦之家 作者：admin 閱讀：次
鈦合金因具有較高的比強度、良好的生物相容性以及耐腐蝕性等優點，在生物醫療領域有著廣泛的應用，常作為骨科植入體材料，其中，Ti6Al4V合金是最為常用的一種鈦合金。然而致密 Ti6Al4V 合金彈性模量為 110GPa，遠高于人體骨彈性模量（0.02-20GPa)，植入人體后會產生應力遮擋現象，導致骨吸收、皮質骨逐漸變薄，甚至發生植入體松動。
多孔結構具有體密度小、比表面積大、能量吸收性好等特點，應用前景廣泛，近年來廣受國內外學者的關注。多孔鈦合金結合了鈦合金與多孔結構優良的物理、化學特性，具有功能結構一體化的特點，可用來模擬人體骨小梁結構，達到降低致密鈦合金彈性模量的目的。對其支桿直徑和單元尺寸進行參數化設計可獲得所需的孔隙率與孔徑，實現對力學性能的調控，可為骨科疾病患者帶來福音。
增材制造技術又稱 3D 打印技術，是一種以離散、堆積為基本原理，以數字化模型為基礎的變革性技術，具有成型自由度高、成型速度快、成型件質量好等特點。根據成型工藝不同，金屬增材制造技術主要分為激光選區熔化（SLM）技術、激光選區燒結（SLS）技術、電子束選區熔化（SEBM）技術、激光熔覆（LC）技術和電弧增材制造（WAAM）技術等。其中 SLM 技術和 SEBM 技術制造精度相對較高，在醫療領域常用于成型多孔鈦合金。現階段，設計并制造出滿足力學性能、生物相容性要求的多孔鈦合金已成為國內外研究的熱點。
促骨長成性能研究
多孔結構與人體骨的微觀結構極為相似，其孔隙為細胞的黏附、擴散及分化等過程創造了條件，相互聯通的結構也有利于氧氣與營養物質的循環，可很好地促進骨組織的生長。大量研究表明，多孔鈦合金的孔徑、孔隙率等幾何參數對其促骨長成能力有著重要的影響，但關于最優的幾何參數目前尚無統一的定論。
目前采用增材制造技術制備的多孔鈦合金植入體在人體不同部位的修復和置換中有著不同程度的研究與應用，針對個體之間的差異性，多孔植入體也逐漸向個性化發展。
1、口腔頜面植入體
在口腔頜面外科方面，增材制造技術在多孔種植體、植入體中的應用在總體上仍處于研究階段，國內外相關的動物試驗和臨床研究相對較少，也尚無產品通過食品藥品監督管理局的注冊批準。但從現有研究不難看出，其在口腔頜面外科中具有良好的應用前景。
椎間融合器是治療脊柱疾病常用的植入體，可恢復椎間盤高度并實現骨融合。目前國外已有多家公司，如美國 Stryker，Nexxt Spine 公司和德國 Joimax 公司等，其采用增材制造技術生產的多孔鈦合金融合器產品獲得了相關部門的上市批準，并逐漸應用于臨床。在中國，北京大學第三骨科醫院劉忠軍教授團隊與北京愛康醫療公司走在了融合器研發的前列，其在 2016 年合作研制的增材制造多孔鈦合金融合器產品獲得了國家食品藥品監督管理總局（China food and drug administration，CFDA）的注冊批準。
全髖關節置換術在股骨頭壞死、股骨頸骨折等疾病的治療中有著廣泛的應用，是開展最為廣泛的人工關節置換術之一，髖臼杯是常用的髖關節植入體。目前國外獲得注冊批準的增材制造多孔鈦合金髖臼杯產品相對較多，國內北京愛康醫療公司和天津嘉思特醫療公司的產品分別在 2015年和、2019 年獲得了 CFDA 的注冊批準。
多孔結構具有體密度小、比表面積大、能量吸收性好等特點，應用前景廣泛，近年來廣受國內外學者的關注。多孔鈦合金結合了鈦合金與多孔結構優良的物理、化學特性，具有功能結構一體化的特點，可用來模擬人體骨小梁結構，達到降低致密鈦合金彈性模量的目的。對其支桿直徑和單元尺寸進行參數化設計可獲得所需的孔隙率與孔徑，實現對力學性能的調控，可為骨科疾病患者帶來福音。
增材制造技術又稱 3D 打印技術，是一種以離散、堆積為基本原理，以數字化模型為基礎的變革性技術，具有成型自由度高、成型速度快、成型件質量好等特點。根據成型工藝不同，金屬增材制造技術主要分為激光選區熔化（SLM）技術、激光選區燒結（SLS）技術、電子束選區熔化（SEBM）技術、激光熔覆（LC）技術和電弧增材制造（WAAM）技術等。其中 SLM 技術和 SEBM 技術制造精度相對較高，在醫療領域常用于成型多孔鈦合金。現階段，設計并制造出滿足力學性能、生物相容性要求的多孔鈦合金已成為國內外研究的熱點。
促骨長成性能研究
多孔結構與人體骨的微觀結構極為相似，其孔隙為細胞的黏附、擴散及分化等過程創造了條件，相互聯通的結構也有利于氧氣與營養物質的循環，可很好地促進骨組織的生長。大量研究表明，多孔鈦合金的孔徑、孔隙率等幾何參數對其促骨長成能力有著重要的影響，但關于最優的幾何參數目前尚無統一的定論。
△3 種孔徑的多孔鈦板和多孔圓柱
在植入體中的應用目前采用增材制造技術制備的多孔鈦合金植入體在人體不同部位的修復和置換中有著不同程度的研究與應用，針對個體之間的差異性，多孔植入體也逐漸向個性化發展。
1、口腔頜面植入體
在口腔頜面外科方面，增材制造技術在多孔種植體、植入體中的應用在總體上仍處于研究階段，國內外相關的動物試驗和臨床研究相對較少，也尚無產品通過食品藥品監督管理局的注冊批準。但從現有研究不難看出，其在口腔頜面外科中具有良好的應用前景。
△3 種個性化多孔鈦合金種植體
△個性化多孔鈦合金下頜植入體
2、脊柱植入體椎間融合器是治療脊柱疾病常用的植入體，可恢復椎間盤高度并實現骨融合。目前國外已有多家公司，如美國 Stryker，Nexxt Spine 公司和德國 Joimax 公司等，其采用增材制造技術生產的多孔鈦合金融合器產品獲得了相關部門的上市批準，并逐漸應用于臨床。在中國，北京大學第三骨科醫院劉忠軍教授團隊與北京愛康醫療公司走在了融合器研發的前列，其在 2016 年合作研制的增材制造多孔鈦合金融合器產品獲得了國家食品藥品監督管理總局（China food and drug administration，CFDA）的注冊批準。
△多孔合金椎間融合器
3、髖關節植入體全髖關節置換術在股骨頭壞死、股骨頸骨折等疾病的治療中有著廣泛的應用，是開展最為廣泛的人工關節置換術之一，髖臼杯是常用的髖關節植入體。目前國外獲得注冊批準的增材制造多孔鈦合金髖臼杯產品相對較多，國內北京愛康醫療公司和天津嘉思特醫療公司的產品分別在 2015年和、2019 年獲得了 CFDA 的注冊批準。
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