3D打印醫(yī)用多孔鈦合金應(yīng)用現(xiàn)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(yōu)點，在生物醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(chǎn)生應(yīng)力遮擋現(xiàn)象，導(dǎo)致骨吸收、皮質(zhì)骨逐漸變薄，甚至發(fā)生植入體松動。
多孔結(jié)構(gòu)具有體密度小、比表面積大、能量吸收性好等特點，應(yīng)用前景廣泛，近年來廣受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。多孔鈦合金結(jié)合了鈦合金與多孔結(jié)構(gòu)優(yōu)良的物理、化學(xué)特性，具有功能結(jié)構(gòu)一體化的特點，可用來模擬人體骨小梁結(jié)構(gòu)，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(shù)化設(shè)計可獲得所需的孔隙率與孔徑，實現(xiàn)對力學(xué)性能的調(diào)控，可為骨科疾病患者帶來福音。
增材制造技術(shù)又稱 3D 打印技術(shù)，是一種以離散、堆積為基本原理，以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)的變革性技術(shù)，具有成型自由度高、成型速度快、成型件質(zhì)量好等特點。根據(jù)成型工藝不同，金屬增材制造技術(shù)主要分為激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)、激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）技術(shù)、電子束選區(qū)熔化（SEBM）技術(shù)、激光熔覆（LC）技術(shù)和電弧增材制造（WAAM）技術(shù)等。其中 SLM 技術(shù)和 SEBM 技術(shù)制造精度相對較高，在醫(yī)療領(lǐng)域常用于成型多孔鈦合金。現(xiàn)階段，設(shè)計并制造出滿足力學(xué)性能、生物相容性要求的多孔鈦合金已成為國內(nèi)外研究的熱點。
促骨長成性能研究
多孔結(jié)構(gòu)與人體骨的微觀結(jié)構(gòu)極為相似，其孔隙為細胞的黏附、擴散及分化等過程創(chuàng)造了條件，相互聯(lián)通的結(jié)構(gòu)也有利于氧氣與營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，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(shù)對其促骨長成能力有著重要的影響，但關(guān)于最優(yōu)的幾何參數(shù)目前尚無統(tǒng)一的定論。
目前采用增材制造技術(shù)制備的多孔鈦合金植入體在人體不同部位的修復(fù)和置換中有著不同程度的研究與應(yīng)用，針對個體之間的差異性，多孔植入體也逐漸向個性化發(fā)展。
1、口腔頜面植入體
在口腔頜面外科方面，增材制造技術(shù)在多孔種植體、植入體中的應(yīng)用在總體上仍處于研究階段，國內(nèi)外相關(guān)的動物試驗和臨床研究相對較少，也尚無產(chǎn)品通過食品藥品監(jiān)督管理局的注冊批準。但從現(xiàn)有研究不難看出，其在口腔頜面外科中具有良好的應(yīng)用前景。
椎間融合器是治療脊柱疾病常用的植入體，可恢復(fù)椎間盤高度并實現(xiàn)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(shù)生產(chǎn)的多孔鈦合金融合器產(chǎn)品獲得了相關(guān)部門的上市批準，并逐漸應(yīng)用于臨床。在中國，北京大學(xué)第三骨科醫(yī)院劉忠軍教授團隊與北京愛康醫(yī)療公司走在了融合器研發(fā)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(chǎn)品獲得了國家食品藥品監(jiān)督管理總局（China food and drug administration，CFDA）的注冊批準。
全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)在股骨頭壞死、股骨頸骨折等疾病的治療中有著廣泛的應(yīng)用，是開展最為廣泛的人工關(guān)節(jié)置換術(shù)之一，髖臼杯是常用的髖關(guān)節(jié)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(chǎn)品相對較多，國內(nèi)北京愛康醫(yī)療公司和天津嘉思特醫(yī)療公司的產(chǎn)品分別在 2015年和、2019 年獲得了 CFDA 的注冊批準。
多孔結(jié)構(gòu)具有體密度小、比表面積大、能量吸收性好等特點，應(yīng)用前景廣泛，近年來廣受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。多孔鈦合金結(jié)合了鈦合金與多孔結(jié)構(gòu)優(yōu)良的物理、化學(xué)特性，具有功能結(jié)構(gòu)一體化的特點，可用來模擬人體骨小梁結(jié)構(gòu)，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(shù)化設(shè)計可獲得所需的孔隙率與孔徑，實現(xiàn)對力學(xué)性能的調(diào)控，可為骨科疾病患者帶來福音。
增材制造技術(shù)又稱 3D 打印技術(shù)，是一種以離散、堆積為基本原理，以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)的變革性技術(shù)，具有成型自由度高、成型速度快、成型件質(zhì)量好等特點。根據(jù)成型工藝不同，金屬增材制造技術(shù)主要分為激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)、激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）技術(shù)、電子束選區(qū)熔化（SEBM）技術(shù)、激光熔覆（LC）技術(shù)和電弧增材制造（WAAM）技術(shù)等。其中 SLM 技術(shù)和 SEBM 技術(shù)制造精度相對較高，在醫(yī)療領(lǐng)域常用于成型多孔鈦合金。現(xiàn)階段，設(shè)計并制造出滿足力學(xué)性能、生物相容性要求的多孔鈦合金已成為國內(nèi)外研究的熱點。
促骨長成性能研究
多孔結(jié)構(gòu)與人體骨的微觀結(jié)構(gòu)極為相似，其孔隙為細胞的黏附、擴散及分化等過程創(chuàng)造了條件，相互聯(lián)通的結(jié)構(gòu)也有利于氧氣與營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，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(shù)對其促骨長成能力有著重要的影響，但關(guān)于最優(yōu)的幾何參數(shù)目前尚無統(tǒng)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(yīng)用目前采用增材制造技術(shù)制備的多孔鈦合金植入體在人體不同部位的修復(fù)和置換中有著不同程度的研究與應(yīng)用，針對個體之間的差異性，多孔植入體也逐漸向個性化發(fā)展。
1、口腔頜面植入體
在口腔頜面外科方面，增材制造技術(shù)在多孔種植體、植入體中的應(yīng)用在總體上仍處于研究階段，國內(nèi)外相關(guān)的動物試驗和臨床研究相對較少，也尚無產(chǎn)品通過食品藥品監(jiān)督管理局的注冊批準。但從現(xiàn)有研究不難看出，其在口腔頜面外科中具有良好的應(yīng)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(fù)椎間盤高度并實現(xiàn)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(shù)生產(chǎn)的多孔鈦合金融合器產(chǎn)品獲得了相關(guān)部門的上市批準，并逐漸應(yīng)用于臨床。在中國，北京大學(xué)第三骨科醫(yī)院劉忠軍教授團隊與北京愛康醫(yī)療公司走在了融合器研發(fā)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(chǎn)品獲得了國家食品藥品監(jiān)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(guān)節(jié)植入體全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)在股骨頭壞死、股骨頸骨折等疾病的治療中有著廣泛的應(yīng)用，是開展最為廣泛的人工關(guān)節(jié)置換術(shù)之一，髖臼杯是常用的髖關(guān)節(jié)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(chǎn)品相對較多，國內(nèi)北京愛康醫(yī)療公司和天津嘉思特醫(yī)療公司的產(chǎn)品分別在 2015年和、2019 年獲得了 CFDA 的注冊批準。
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