3D打印多孔金属合金个性化医学植入

2020-06-05

截至2019年，大约有40种不同的商业金属3D打印/增材制造系统，每年的全球总销售额达数十亿美元。迄今为止，用于生产商业医疗设备（尤其是多孔生物医学植入设备）最方便也最受欢迎的系统是激光和电子束粉末床融合技术。

即使在构建体积相对较小（〜0.09 m3），也可以在这些商用机器中方便地制造许多生物医学设备，例如多孔颅面插入物，各种脊柱插入物以及许多其他骨骼或整形外科植入物。此外，虽然许多传统的商业金属和合金植入物(尤其是全髋关节和膝关节植入物)是由锻造或铸造的锭料制成，然后数控加工成特定的患者可用尺寸和表面光洁度，但激光和电子束3D打印/调幅系可以直接制造特定于特定患者骨骼尺寸的复杂和策略性放置的孔隙，并且通常只需要对关键部件进行最终抛光。多余的粉末可以方便地重复使用，并且不需要工具，因为患者特定的显微CT数据可以嵌入到CAD软件中，以创建复杂多孔植入物。2018年中国和印度的髋关节置换术平均费用约为2000美元; 膝盖植入物的价格约为1500美元。此外，中国于2019年将价格降低20％至50％，而印度于2015年对骨科（髋关节和膝关节）植入物实行价格管制。

全球整形外科植入物手术从2012年的170万例增加到2016年的290万例；预计到2021年将超过500万。自2015年以来，骨科植入物市场排名：美国、中国、日本、德国、法国、英国、意大利、巴西、西班牙、加拿大、澳大利亚和印度。到2025年，全球市场植入性增材制造收入预计将超过650亿美元。目前，该市场在商业上由Stryker，DePuy，Aesealap，Zimmer / Biomet，Smith和Nephew，Synthes和Medtronic等公司主导。到目前为止，主要的生物医学器械合金是Ti-6Al-4V，但是一些制造商使用的是Co-Cr-Mo合金（尤其是关键部件），316 L不锈钢和钽。

粉末床融合（SLM和EBM）技术在过去两年中在全球范围内得到了广泛应用，而商用系统则越来越多地用于医院3D打印中心或实验室，以满足骨科和其他医疗部门对接触点，患者特定手术设备的要求。下图总结了使用EBM的粉末床熔融技术的主要特征。

图1. 用于Ti-6Al-4 V产品制造的EBM系统

EBM和SLM加工金属或合金产品的主要区别在于SLM粉末床温度较低，冷却或冷却速度较快。这在一些SLM中产生内部应变，产品通常需要热等静压处理(HIPing)来消除这种内在应变，以及产品翘曲或其他变形。SLM产品表面通常也更光滑，对于某些应用来说，这可能是一个重要的特性。

Materialize NV目前提供一套软件，该软件利用各种多面体和几何单位单元生成开孔网格结构模型。下图（a和b）提供了这些结构模型的示例，而下图（c和d）显示了模拟骨骼状泡沫圆柱体的模型构造。

图2. Ti-6Al-4的开孔构件模型示例和电子束加工网(a)和泡沫(b)样品

近三十年来，使用液态树脂的丙烯酸酯生物模型已经通过快速原型/立体光刻系统制造出来，被用来在外科手术计划中创建术前指南，包含血管和其他器官等软组织原型以及用于各种骨骼模型的更坚硬的聚合物。下图说明了术前聚合物颅骨模型和定制的多孔（网状）颅骨Ti-6Al-4V插入物的示例，颅骨板植入物的孔隙率在提供骨细胞向内生长和固定到颅骨上方面尤其重要。