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        淺談3D打印在骨科植入物領域的應用
        2015-03-24  來源:捷諾飛  作者:捷諾飛
        3D打印技術在醫療方面的應用正在不斷擴展。依托于醫學掃描和成像技術(CT、MRI、超聲波),這種新的方法為醫療提供了更多經濟而有效的解決方案,正在改變現有醫療行業的供應鏈。


        在這方面一個值得注意的事情是,美國醫藥監管機構FDA已經給一些3D打印的醫療設備發放了市場許可。



        那么現在已經有那些醫療方面的終端應用可以3D打印了?


        通用項目(髖部/膝蓋/肩部植入物或植入物附件)


        獨特的定制項目(助聽器、牙科、鞋墊、假肢和矯形外科植入物)


        模型(用于下一步制造牙冠或牙齒矯正)


        已經采用3D打印部件的這些醫療領域獲得了一個更為精簡的供應鏈。3D打印技術不需要多個環節的生產過程或者使用任何其它工具,而且能夠最大限度地降低庫存。這導致了成本的降低和交貨時間的縮短,對于那些體積小、結構復雜的零部件,如骨科植入物,效益尤其明顯。



        目前許多外科醫生正在嘗試用金屬3D打印工藝來制造骨科植入物,而且即將獲得成功的應用。其中的原因是金屬3D打印主要有以下特點:

        (1)生物相容性金屬粉末
        能夠在其表面獲得來自相鄰細胞和組織的預期反應是外科植入物的一個非常重要的屬性。因為細胞行為(密合性、功能性改變、形態變化和增殖)會受到其表面屬性的強烈影響。表面形貌、表面化學和表面能量支配著植入物的生物反應。


        因此,對于植入物的制造,優選材料是純鈦和鈦合金。純鈦具有較高的耐腐蝕性以及被認為是最具生物相容性的金屬。只要其表面被暴露在氧化性介質中,它就能夠自發地形成穩定的惰性氧化物層。如果需要生物醫學植入物具備更高的強度的話,那么更好的選擇則是Ti6Al4V合金,該材料也會表現出良好的抗疲勞、耐腐蝕特性,而且比重比較低。


        此外,能夠以粉末形式提供的其他生物相容性材料還有不銹鋼316L和鈷鉻合金。而高度受控的金屬3D打印環境(充滿中性氣體和限制氧氣)可確保打印部件的高純度,保留了期望的材料性能。


        (2)更便宜的“一次性”定制金屬植入物

        在制造定制化的植入物時,傳統的方式往往特別費時和昂貴,而3D打印則就靈活的多,其資金需求被限定在一定范圍,設計復雜性被減小,從而使個人定制得以實現。



        顯而易見,定制產品會讓病人更加舒服,恢復得更快。骨科醫生可以通過自定義形狀優化應力在骨骼上的分布,并提供更好的適應性,并消除了外科醫生在手術之中進行手動處理的需要。失敗的風險降低了,同時手術時間和總體成本也在降低。


        (3)機械性能升級

        3D打印的部件與傳統制造技術,如鑄造,生產出來的部件相比,往往具有更好的機械性能。因為有的金屬3D打印工藝會涉及到非常專業前沿的冶金學技術,能夠生成獨特的微觀結構。據所知,經過妥善處理,金屬3D打印能夠產生精制晶粒,這是因為熱影響區域直接環繞著激光熔池,所以可以快速獲得熱能。此外,作為金屬3D打印價值鏈的一部分,后處理中的熱處理也可以進一步提高預成品的機械性能。


        其結果是,該部分可能因為厚度的稍稍減少而變得更輕,這降低了患者的不適感,而且不會犧牲其它屬性。


        (4)3D打印和矯形金屬植入物之間的協同作用

        鈦金屬具有高彈性模量,容易導致植入物和骨頭之間的彈性失配,并限制了這種材料的使用。一種低彈性楊氏模量有助于避免“應力屏蔽”(即由于植入物導致的骨骼正常應力的消失),而“應力屏蔽”則會導致骨質密度的降低。


        由于金屬3D打印技術能夠指定構建對象的孔隙度,因此可以通過改變體積分率和多孔結構的尺寸分布來解決這個問題。事實上,多孔鈦的彈性模量會隨著孔徑的增加而減小,而植入物可以通過量身定制具有類似人骨的機械性能。



        此外,傳統上使用減材制造的金屬植入物通常會在表面施加多孔表面涂層,以便于骨內生長和整個植入物的結合。而金屬3D打印則能夠將提供強度的致密承重結構與精確而互相連接的開放氣孔誘導骨生長有機地結合在一起。


        最后一點,但同樣重要的是,當骨科植入物需要固定的時候,金屬3D打印的預成品部件的粗糙表面可以消除下游涂覆操作的需要,節省了時間和金錢。


        原文鏈接:http://www.uggd.com/news/hynews/2015-03-22/342872.html

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