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顱頜面硬組織植入用3D打印鈦合金材料的研究進(jìn)展

時間:2017-03-01 22:03 來源:南極熊 作者:中國3D打印網(wǎng) 閱讀:
       目前,3D打印技術(shù)已經(jīng)憑借優(yōu)異的可定制性成為醫(yī)療領(lǐng)域的寵兒。而在醫(yī)用材料上一直有著很大限制。醫(yī)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(jī)械性能,也成為最理想的顱頜面植入物材料 。醫(yī)用鈦板、鈦釘、鈦網(wǎng)等植入物已廣泛應(yīng)用于口腔頜面部外傷后內(nèi)固定及頜面骨組織切除后功能性修復(fù)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(fù)、微孔鈦網(wǎng)修復(fù)損壞的頭蓋骨和硬膜。口腔內(nèi)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(lǐng)域也有良好的臨床效果。顱頜面硬組織植入修復(fù)體的材料和制備工藝是影響修復(fù)體質(zhì)量的主要因素,也是頜面修復(fù)重建外科手術(shù)成功的關(guān)鍵。
      自20世紀(jì)40年代以來,很多學(xué)者開展了鈦生物學(xué)性能相關(guān)性研究,研究涉及材料物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)及先進(jìn)電子顯微及生化分析等多個學(xué)科。保證鈦合金植入物良好的生物相容性、力學(xué)相容性以及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、工藝等問題是研制開發(fā)外科植入物產(chǎn)品的關(guān)鍵,現(xiàn)將應(yīng)用于顱頜面硬組織鈦合金植入物材料的相關(guān)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(xué)性能 
1.1 醫(yī)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(chǎn)生的各種物理化學(xué),生物電學(xué)等反應(yīng)或耐受能力,如細(xì)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(qiáng)。 鈦合金的顯微組織分類有α型(如純鈦系統(tǒng))、α+β雙相混合型(如Ti6Al4V等)或者β型鈦合金。在進(jìn)行醫(yī)用鈦合金材料顯微組織分類選型設(shè)計時,合金中的不同的組成元素應(yīng)無不良反應(yīng)。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(yīng),且臨床應(yīng)用發(fā)現(xiàn)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(fā)出并 納入國際生物材料標(biāo)準(zhǔn) 。
     第三代低模量化近β型醫(yī)用鈦合金Ti-13Nb-13Zr、Ti-12Mo-6Zr-2Fe(TMZF),Ti -29Nb-13Ta-4.6Zr(TNTZ)等成為全球醫(yī)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(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)用鈦金。Ti-12Mo-6Zr-2Fe(TMZF)在2000年已被用來制造髖關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)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(xué)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(tài)及其表面形貌、組成、物理化學(xué)性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)等。為了

改變生物材料表征和生物學(xué)性能,應(yīng)用不同處理工藝的方式可以在較大范圍內(nèi)控制顯微組織的形態(tài),進(jìn)一步提高其生物相容性和成骨性能  。常規(guī)性處理方法大致可分為機(jī)械法、物理法、化學(xué)法和電化學(xué)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(jié)合等處理的鈦及鈦合金能夠促進(jìn)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(jī)械結(jié)合,從而提高植入物與骨組織的結(jié)合強(qiáng)度。
1.2醫(yī)用鈦合金材料的生物力學(xué)相容性

     骨與關(guān)節(jié)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(xué) 作用,因此對植入物極高的力學(xué)性能要求。機(jī)械性能決定如何選擇一種特殊的應(yīng)用金屬材料類型,其中最重要的屬性是硬度、抗拉強(qiáng)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(qiáng)度不足或在骨和植入物之間的力學(xué)性能不匹配,那么這個被稱為生物力學(xué)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(yīng)力遮擋現(xiàn)象,獲取良好的生物力學(xué)相容性:其一開發(fā)新型醫(yī)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(xì)分為近亞穩(wěn)定β合金、亞穩(wěn)定β合金及穩(wěn)定β合金。對合金進(jìn)行不同的處理控制α相和β相的適當(dāng)比例及分布,形成不同的組織從而改善其力學(xué)性能。

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