增材制造医用多孔钛合金研究与应用现状

钛合金因具有较高的比强度、良好的生物相容性以及耐腐蚀性等优点,在生物医疗领域有着广泛的应用,常作为骨科植入体材料[１Ｇ２],其中,Ti６Al４V 合金是最为常用的一种钛合金。然而致密 Ti６Al４V 合金弹性模量为１１０GPa,远高于人体骨弹性模量(0.02~20GPa),植入人体后会产生应力遮挡现象[３Ｇ５],导致骨吸收、皮质骨逐渐变薄,甚至发生植入体松动[６]。

多孔结构具有体密度小、比表面积大、能量吸收性好等特点,应用前景广泛,近年来广受国内外学者的关注[７Ｇ８]。多孔钛合金结合了钛合金与多孔结构优良的物理、化学特性,具有功能结构一体化的特点[９],可用来模拟人体骨小梁结构,达到降低致密钛合金弹性模量的目的。对其支杆直径和单元尺寸进行参数化设计可获得所需的孔隙率与孔径,实现对力学性能的调控[１０],可为骨科疾病患者带来福音。增材制造技术又称３D打印技术,是一种以离散、堆积为基本原理,以数字化模型为基础的变革性技术,具有成型自由度高、成型速度快、成型件质量好等特点[１１Ｇ１２]。根据成型工艺不同,金属增材制造技术主要分为激光选区熔化(selectivelasermelting,SLM)技术、激光选区烧结(selectivelasersintering,SLS)技术、电子束选区熔化(selectiveelectronbeam melting,SEBM)技术、激光熔覆(lasercladding,LC)技术和电弧增材制造(wireandarcadditivemanufacture,WAAM)技术等。其中 SLM 技术和 SEBM 技术制造精度相对较高,在医疗领域常用于成型多孔钛合金。现阶段,设计并制造出满足力学性能、生物相容性要求的多孔钛合金已成为国内外研究的热点。

1、增材制造多孔钛合金原理

1.1 增材制造技术成型原理

SLM 技术和SEBM 技术的成型原理如图１所示[１４]。SLM 技术以金属粉末作为材料,通过振镜偏转使高能量的激光选择性地照射在金属粉末上,金属粉末迅速熔凝,与固体金属达到冶金结合[１５]。当一层扫描完成后,成型平台下降、供粉平台上升一个层厚的高度,刮刀移动将粉末材料铺在上一层表面,通过重复此过程最终得到所需的三维实体[１６]。SEBM 技术成型原理与SLM 技术相似,不同的是SEBM 技术使用能量更高的电子束作为热源,通过电磁偏转线圈控制电子束射出的方向,实现对金属粉末选择性地熔化[１７Ｇ１８]。表１为２种技术的对比[１９Ｇ２５]。由于国外对增材制造技术的研究起步较早,如美国３DSystem、英国 Renishaw、德国 ConceptLaser、瑞典 Arcam 等公司,其研发的设备相对成熟。在中国,增材制造设备的研发主要由高校、企业等完成,其中走在前列的主要有华中科技大学、华南理工大学、西安铂力特公司等。

与传统制造技术相比,采用增材制造技术成型多孔钛合金主要具有以下优势:

１)成型自由度高 传统的粉末冶金法[２６]、浆料发泡法等[２７]虽也能够制备多孔钛合金,但无法控制其孔隙的形状和尺寸,因此不能很好地满足医疗领域的需求。增材制造技术可根据设计出的数字模型进行成型,因此可对多孔钛合金的几何参数、几何形态等实现精确控制。

２)成型速度快 与传统制造技术的多道工序逐步加工相比,增材制造技术可实现对零件的一次性直接成型[２８],大大缩短零件的成型周期,具有较快的成型速度。

３)成型件力学性能好 由于在增材制造技术成型的过程中金属粉末熔凝速度快,因此成型零件的组织细小且均匀,在强度上通常高于传统铸造、锻造技术制备的钛合金。

1.2 多孔结构设计方法

多孔结构的几何参数、几何形态对其力学性能与生物性能有着很大的影响,常用来评价多孔结构的几何参数有单元尺寸L、杆径S、孔径D 及孔隙率P,如图２所示。P 为多孔结构孔隙体积占单元体积的比例。目前国内外常用的多孔结构设计方法主要有计算机辅助设计(computeraideddesign,CAD)法、三周期极小曲面法、Voronoi图法、拓扑优化法等。表２为４种设计方法的特点及所设计出多孔结构的几何形态。

2、增材制造多孔钛合金力学性能研究

2.1几何形态与几何参数对力学性能的影响

作为植入体,多孔钛合金的力学性能至关重要,必须具有足够的力学强度,以保证植入后不会发生变形破坏,且应与人体骨弹性模量接近,以避免发生应力遮挡[３７]。目前国内外学者主要通过压缩试验和有限元仿真对多孔钛合金的力学性能进行研究。诸多研究表明,多孔结构的几何形态、几何参数对其力学性能有着很重要的影响。杨立军等[３８]对方形孔、圆形孔和蜂窝孔３种结构进行了有限元分析,发现当孔径相同时,３种结构中蜂窝孔的弹性模量最高,其次为圆形孔,方形孔的弹性模量最低,并且当孔隙率为７８．４％~８９．６％时,其弹性模量为２１．２５~１３．０４GPa,与人体股骨力学性能相近。MOLINARI等[３９]研究了 SLM 技术成型的１０种不同几何形态、孔隙率在４７．８％~８２．６％范围内的多孔钛合金。结果表明,当多孔结构中无沿载荷施加方向排列的支杆时,其强度通常较低,且所有试件的抗压强度为１０~２５０MPa,弹性模量为１~２０GPa,与人体皮质骨的弹性模型非常相似。上述研究为后续学者在多孔结构的几何形态设计方面提供了参考,未来研究应在满足人体骨力学性能的基础上设计与天然骨小梁结构更为接近的孔形态,使其具有更好的仿生性。

ZAHARIN 等[４０]采用SLM 技术制备了孔隙率为５57.48％~79.36％的多孔钛合金,发现当其孔隙率约为70％时具有与天然骨相近的力学性能。ZHANG 等[４１]采用 SEBM 技术制备了孔隙率为 61.444％ ~79.665％的多孔钛合金,发现其弹性模量比致密钛合金降低了９１％~９６％,总体上与人体骨弹性模量相近。李卿等[４２]研究了SLM 技术制备的多孔钛合金的力学性能。结果表明,当孔隙率从58.0％下降到45.2％时,抗压强度从223.1MPa提升至351.6MPa,弹性模量从15.1MPa提升至25.7GPa。EPASTO 等[４３]研究了单元尺寸为２,３,６ mm 多孔钛合金的压缩性能,发现随着单元尺寸的减小,试件的抗压强度逐渐增强。

LEARY 等[４４]在研究中也发现,当孔隙率不变时,多孔结构的抗压强度和弹性模量随着单元尺寸的增加而降低,这是因为单元尺寸大的结构支杆长度较长,因此更容易发生屈曲,导致力学性能下降。目前,对于多孔钛合金力学性能的研究大都集中在压缩性能方面,后续研究应对其拉伸性能进行关注,以实现对其性能更全面地掌握。

由以上研究可以看出,虽然不同几何形态、几何参数下的多孔钛合金在力学性能上差异较大,但存在一个规律,即多孔钛合金的抗压强度和弹性模量与其孔隙率成反比,随着孔隙率的上升二者通常会下降。因此,由支杆组成的多孔结构更有利于获得预期的力学性能,可在支杆直径一定时对单元尺寸进行调节,或在单元尺寸一定时对支杆直径进行调节,使得结构的孔隙率发生改变,实现对力学性能的调控。此外,由于多孔结构的孔隙率与支杆的总体积有关,因此可在孔隙率一定时,通过改变与载荷垂直方向、增加沿载荷施加方向上的支杆数量,改变结构抵抗变形的能力,使力学性能达到预期值。

2.2 基于 GibsonＧAshby模型的力学性能预测

由于多孔钛合金的力学性能至关重要,因此对其力学性能预测吸引着国内外学者的兴趣。通过模型理论对力学性能进行预测是一种常用方法,其中,GibsonＧAshby模型是多孔材料领域中最具有代表意义的经典模型,该模型基于立方构架连接的简化结构[４５],根据该模型可推导出多孔结构相对密度、抗压强度及弹性模量的数学关系如下[４６]:

YANG 等[４７]根据 GibsonＧAshby模型对所设计孔钛合金的相对密度与弹性模量、抗压强度仿真值间的关系进行拟合,并采用SLM 技术制备压缩试件进行验证。研究结果表明,模型可较为准确地预测其孔隙率与力学性能间的关系,可通过对孔隙率进行设计实现多孔钛合金力学性能的调控。CHEN 等[４８]采用 SLM技术制备了不同孔隙率的多孔钛合金,并对其相对密度与力学性能间的拟合关系进行了研究。结果表明,拟合方程在总体上具有较好的预测效果。但通过对比发现,相对密度较低试件的抗压强度试验值与预测模型的拟合曲线偏差较大,因此应注意,当多孔结构的孔隙率较高时,在强度方面可能无法通过 GibsonＧAshb模型获得准确的预测值。XU 等[４９]对SLM 成型不同单元尺寸多孔钛合金的动态弹性模量与相对密度之间y的关系进行了研究,发现在单元尺寸较小时,由于支杆间几乎相互接触导致结构的抗变形能力提高,因此n２值随着单元尺寸的减小而减小。针对单元尺寸对动态弹性模量的影响,作者提出了以特征参数F(L)来代替n２,获得的拟合方程相关系数 R２ 为０．９９３７,表明通过该模型对动态弹性模量进行预测时具有较高的精度。

上述研究表明,在使用 GibsonＧAshby模型对多孔钛合金的力学性能进行预测时,总体上能够达到令人满意的效果,但由于结构孔隙率过高、单元尺寸过小等原因,预测值与试验值间会存在偏差。有学者认为产生偏差的原因可能与试件存在残余应力、试件表面黏附未熔粉末以及试件的体积在支杆相交处容易被重复计算等有关[50]。因此,未来应对如何消除预测值的偏差进行深入研究,实现对多孔钛合金力学性能更精准的预测。

3、增材制造多孔钛合金在生物医疗领域的研究与应用

3.1 促骨长成性能研究

多孔结构与人体骨的微观结构极为相似,其孔隙为细胞的黏附、扩散及分化等过程创造了条件,相互联通的结构也有利于氧气与营养物质的循环,可很好地促进骨组织的生长[５１]。大量研究表明,多孔钛合金的孔径、孔隙率等几何参数对其促骨长成能力有着重要的影响,但关于最优的几何参数目前尚无统一的定论。

KARAGEORGIOU 等[５２]建议使用大于３００μm 的孔径;FUKUDA 等[５３]通过试验发现,当孔径在 ５００~１２００μm 时,５００μm 的孔径具有最优的成骨诱导作用;NUNE等[５４]指出,孔径在５~１５μm 时只适合纤维细胞的长入,１０~１２０μm 的孔径适合软骨细胞的生长,而１００~４００μm 的孔径更适合成骨细胞的生长;邓珍波等[５５]认为,理想的孔径、孔隙率分别在３００~９００μm 和６０％~９５％之间。

TANIGUCHI等[５６]采用SLM 技术制备了孔隙率为６５％、孔径分别为３００,６００,９００μm 的板状与柱状多孔钛合金支架(如图３所示)[５６],并将支架分别植入到日本白兔的胫骨与股骨处,在植入后第２,４,８周时进行了与骨分离的力学试验以评估其结合强度。结果表明,孔径为６００μm 的支架与骨结合强度明显高于其他２种孔径,且具有良好的与骨结合能力和较快的骨长入速度,是一种适用于植入体的多孔结构。该研究可为后续学者在多孔钛合金促骨长成性能方面提供孔径尺寸的参考,未来研究可对此孔径区间进行细化,以探索更为理想的孔径值。

刘路坦等[５７]采用SEBM 技术制备出孔隙率分别为３５％,５５％,７５％的３组多孔钛合金支架,分别植入在新西兰白兔的股骨干处,并在术后第１６周取出进行组织学观察,如图４所示。３组支架中孔隙率为３５％的骨长入效果最差,孔隙率为５５％的稍好,孔隙率为７５％的最佳。对其原因进行分析,可能是７５％的孔隙率能够为骨细胞的生长提供足够的空间,而３５％的孔隙率则会影响孔隙形成有效联通,导致新生组织被挡在孔隙外而无法很好地长入。该研究结果可加深后续学者对孔隙率与骨长入效果之间关系的认知,未来研究应注意多孔钛合金的孔隙率不宜过低,避免其对组织的生长造成限制。

然而也并非孔径越大、孔隙率越高时骨长入效果越好。NUNE 等[５１]采用 SEBM 技术制备了３种孔径在７００~１５００μm 的多孔钛合金支架,对应孔隙率在７６％~９０％。通过将成骨细胞接种在多孔钛合金支架上,发现随着多孔结构孔隙率的增加,接种效率明显降低。刘邦定等[５８]认为当孔径过大时多孔钛合金无法起到良好的支架作用,导致孔隙中心的骨生长速度减缓,影响局部骨缺损修复的效果。因此应当注意,在对多孔钛合金进行设计、制造时,其孔径、孔隙率应在合理的范围内,这是保证多孔钛合金具有良好促骨长成性能的前提。

3.2 在植入体中的应用

目前采用增材制造技术制备的多孔钛合金植入体在人体不同部位的修复和置换中有着不同程度的研究与应用,针对个体之间的差异性,多孔植入体也逐渐向个性化发展。

3.2.1口腔颌面植入体

在口腔颌面外科方面,增材制造技术在多孔种植体、植入体中的应用在总体上仍处于研究阶段,国内外相关的动物试验和临床研究相对较少,也尚无产品通过食品药品监督管理局的注册批准[５９]。但从现有研究不难看出,其在口腔颌面外科中具有良好的应用前景。

WALLY 等[６０]对采用增材制造技术制备的多孔钛合金在齿科种植体中的应用进行了分析,认为其孔径大小与形态可控,且具有良好的生物相容性,因此有望替代传统种植体。随后,WALLY 等[６１]又采用 SLM技术制备了孔隙为梯度且可控的多孔钛合金支架,通过进行力学性能测试与细胞培养测试,评估其用于齿科种植体的可能性。结果表明,其抗压强度在松质骨的范围内,并且能够很好地支持骨细胞的生长。秦风利等[６２]针对传统牙根种植体存在的弹性模量高、生物活性低等问题,设计了单根型、多根联合型、多根分根型３种不同结构的个性化多孔钛合金种植体,采用SLM 技术进行制备,如图５所示。所制得的个性化多孔种植体在形态上与正常牙根高度相似,可确保植入初期的稳定性。通过将种植体植入在比格犬的颌骨处进行验证,证实了其能够在生物体内与骨组织达到良好的结合效果。以上研究表明,增材制造技术适合用于齿科种植体的制造,与传统制造技术相比,其更具有生物性能和个性化方面的优势。

LEE等[６３]针对一位下颌骨缺损的患者采用 SEBM 技术制备了多孔钛合金植入体,成功地恢复了患者下颌的功能与美观。SUSKA 等[６４]采用个性化设计方法为一位切除左下颌的患者设计了个性化植入体,将其两端与骨结合处设计成为多孔结构以促进骨组织的长入。采用SEBM 技术制备的钛合金植入体在术后３个月的随访中表现出了良好的稳定性,并且外观也令患者满意。YAN 等[６５]基于一名颌骨全缺损志愿者的CT 数据,设计并采用SEBM 技术制备了个性化多孔钛合金下颌(如图６所示)进行植入,术后患者恢复良好,无松动和排斥反应。此外,作者还对１２只下颌骨缺损的犬类进行了移植验证,在植入后其下颌骨均恢复良好,且在术后１２个月时的相关参数均与正常下颌骨接近。以上研究证明了使用个性化多孔钛合金植入体对下颌骨进行修复是可行的。此外,在使用患者的 CT 数据进行模型重建时,应注意数据格式转换时模型的精度问题,保证设计出的植入体可与患者精确匹配。

3.2.2脊柱植入体

椎间融合器是治疗脊柱疾病常用的植入体,可恢复椎间盘高度并实现骨融合[６６]。目前国外已有多家公司,如美国 Stryker,NexxtSpine公司和德国Joimax公司等,其采用增材制造技术生产的多孔钛合金融合器产品获得了相关部门的上市批准,并逐渐应用于临床。在中国,北京大学第三骨科医院刘忠军教授团队与北京爱康医疗公司走在了融合器研发的前列,其在２０１６年合作研制的增材制造多孔钛合金融合器产品获得了国家食品药品监督管理总局(Chinafoodanddrugadministration,CFDA)的注册批准。刘忠军教授团队也成功完成了世界首例增材制造多孔融合器的置换手术,患者手术后恢复效果良好[６７]。但目前关于多孔融合器临床应用效果的报道还相对较少[６８],大多数研究还处于设计与制造阶段。图７所示为伊明扬[６９]设计并采用 SLM 技术制备的多孔钛合金融合器[６９]。

舒启航等[７０]对所设计的多孔融合器进行了有限元分析,通过与传统融合器进行对比发现,多孔融合器在不同工况下的峰值应力均有显著下降,可有效避免应力集中现象,降低植入体下沉风险。MOUSSA 等[７１]对人体在做６种动作时融合器的受力进行了有限元分析,根据分析结果对融合器的多孔结构进行梯度密度优化。与传统融合器的对比结果表明,该梯度多孔融合器在做相同动作时的最大应力值降低了１１．０％~１４．０％,有效降低了骨Ｇ植入体的接触应力,有利于提高植入后的长期稳定性。以上研究可为具有更优生物性能椎间融合器的设计提供参考,后续研究应进行优化后融合器的力学试验和体外生物试验,进一步推动其在临床应用中的进展。

3.2.3髋关节植入体

全髋关节置换术在股骨头坏死、股骨颈骨折等疾病的治疗中有着广泛的应用,是开展最为广泛的人工关节置换术之一[７２],髋臼杯是常用的髋关节植入体。目前国外获得注册批准的增材制造多孔钛合金髋臼杯产品相对较多,国内北京爱康医疗公司和天津嘉思特医疗公司的产品分别在２０１５年、２０１９年获得了 CFDA的注册批准。图８所示为意大利 Lima公司采用 SEBM 技术制备的多孔钛合金髋臼杯产品。目前增材制造多孔钛合金髋臼杯已广泛应用在髋关节手术中,临床效果良好。

GENG 等[７４]对９０位初次使用多孔钛合金髋臼杯进行全髋关节置换的患者在术后 ２~６ 年进行了随访,结果显示其平均Harris髋关节 评 分 从 术 前 (４５．２±４．８)分 提 高 至 末 次 随 访 的(９５．８±６．０)分。该研究表明多孔钛合金髋臼杯能够在全髋关节置换术中提供较高的手术成功率和良好的术后稳定性。PERTICARINI等[７５]对１０４位使用多孔钛合金髋臼杯进行翻修手术的患者在术后２~１２年进行了随访,结果显示,其平均 Harris髋关节评分从术前４３．７分提高至末次随访的８４．４分。该研究证实了多孔钛合金髋臼杯在翻修术后具有良好的临床和影像学效果。在 MEO 等[７６]、WAN 等[７７]、LI等[７８]报道的全髋关节置换与翻修手术中,多孔钛合金髋臼杯均获得了令人满意的效果。

4、研究展望

基于数字化模型的增材制造技术能够成型具有多孔结构的钛合金,可有效解决致密金属与人体骨之间存在应力遮挡的问题,并且有利于骨组织的长入,因此吸引了众多学者对其力学性能、生物性能进行研究,近年来在植入体中也有着越来越广泛的研究与应用。根据当前阶段的研究状况,增材制造医用多孔钛合金仍面临着成型设备、多孔结构设计、力学性能预测及钛合金材料等方面的难题,因此未来的研究主要可从以下４方面入手。

１)成型设备的研发。由于成型设备的固有特性,当前阶段SLM 技术成型件通常存在残余应力,而EBM技术成型件表面质量有待提高。对于批量化生产的多孔植入体,仅具有单激光器的设备在成型速度上已不能满足需求,拥有多激光器的设备正逐渐在市场上出现。相信在不远的将来会有更高成型质量、成型效率的设备被研发出来,应用到多孔钛合金的成型制备。

２)多孔结构的仿生化设计。目前多孔支架、多孔植入体的构建大多还是通过对单元结构进行阵列,获得规则有序的多孔结构,这与天然人体骨随机无序的多孔结构还有一定的差别,并且人体骨在整体结构上并非密度均质,而是呈现出外部致密、内部疏松的梯度结构。因此,多孔结构在设计上应向仿生化发展,以实现将植入体要求的高力学性能与高生物性能有机地结合。

３)GibsonＧAshby模型的修正。虽然使用 GibsonＧAshby模型对多孔钛合金的力学性能进行预测可获得较为满意的结果,但由于成型误差、试件存在残余应力等原因,预测结果仍存在一定的偏差。目前已有学者证明通过对模型添加修正系数可获得更为准确的结果,因此 GibsonＧAshby模型的修正是未来研究的一个方向。

４)新型钛合金材料的开发。虽然目前最为常用的 Ti６Al４V 合金拥有良好的生物相容性,但也有学者指出,其所含有的 Al和 V 元素在进入人体后有潜在的不良反应[７９Ｇ８０]。目前,越来越多新型抗菌钛合金、低弹性模量钛合金等逐渐被开发出来并进入临床研究,因此新材料的开发是未来医用多孔钛合金发展的一个趋势。

作者：张永弟,王琮瑜,王琮玮,杨 光