鈦合金因具有較高的比強(qiáng)度、良好的生物相容性以及耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),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[１Ｇ２],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(yuǎn)高于人體骨彈性模量(0.02~20GPa),植入人體后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力遮擋現(xiàn)象[３Ｇ５],導(dǎo)致骨吸收、皮質(zhì)骨逐漸變薄,甚至發(fā)生植入體松動(dòng)[６]。

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(diǎn),應(yīng)用前景廣泛,近年來(lái)廣受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[７Ｇ８]。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(diǎn)[９],可用來(lái)模擬人體骨小梁結(jié)構(gòu),達(dá)到降低致密鈦合金彈性模量的目的。對(duì)其支桿直徑和單元尺寸進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)可獲得所需的孔隙率與孔徑,實(shí)現(xiàn)對(duì)力學(xué)性能的調(diào)控[１０],可為骨科疾病患者帶來(lái)福音。增材制造技術(shù)又稱(chēng)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(diǎn)[１１Ｇ１２]。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(selectivelasermelting,SLM)技術(shù)、激光選區(qū)燒結(jié)(selectivelasersintering,SLS)技術(shù)、電子束選區(qū)熔化(selectiveelectronbeam melting,SEBM)技術(shù)、激光熔覆(lasercladding,LC)技術(shù)和電弧增材制造(wireandarcadditivemanufacture,WAAM)技術(shù)等。其中 SLM 技術(shù)和 SEBM 技術(shù)制造精度相對(duì)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(jì)并制造出滿(mǎn)足力學(xué)性能、生物相容性要求的多孔鈦合金已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

1、增材制造多孔鈦合金原理

1.1 增材制造技術(shù)成型原理

SLM 技術(shù)和SEBM 技術(shù)的成型原理如圖１所示[１４]。SLM 技術(shù)以金屬粉末作為材料,通過(guò)振鏡偏轉(zhuǎn)使高能量的激光選擇性地照射在金屬粉末上,金屬粉末迅速熔凝,與固體金屬達(dá)到冶金結(jié)合[１５]。當(dāng)一層掃描完成后,成型平臺(tái)下降、供粉平臺(tái)上升一個(gè)層厚的高度,刮刀移動(dòng)將粉末材料鋪在上一層表面,通過(guò)重復(fù)此過(guò)程最終得到所需的三維實(shí)體[１６]。SEBM 技術(shù)成型原理與SLM 技術(shù)相似,不同的是SEBM 技術(shù)使用能量更高的電子束作為熱源,通過(guò)電磁偏轉(zhuǎn)線圈控制電子束射出的方向,實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬粉末選擇性地熔化[１７Ｇ１８]。表１為２種技術(shù)的對(duì)比[１９Ｇ２５]。由于國(guó)外對(duì)增材制造技術(shù)的研究起步較早,如美國(guó)３DSystem、英國(guó) Renishaw、德國(guó) ConceptLaser、瑞典 Arcam 等公司,其研發(fā)的設(shè)備相對(duì)成熟。在中國(guó),增材制造設(shè)備的研發(fā)主要由高校、企業(yè)等完成,其中走在前列的主要有華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、西安鉑力特公司等。

與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比,采用增材制造技術(shù)成型多孔鈦合金主要具有以下優(yōu)勢(shì):

１)成型自由度高 傳統(tǒng)的粉末冶金法[２６]、漿料發(fā)泡法等[２７]雖也能夠制備多孔鈦合金,但無(wú)法控制其孔隙的形狀和尺寸,因此不能很好地滿(mǎn)足醫(yī)療領(lǐng)域的需求。增材制造技術(shù)可根據(jù)設(shè)計(jì)出的數(shù)字模型進(jìn)行成型,因此可對(duì)多孔鈦合金的幾何參數(shù)、幾何形態(tài)等實(shí)現(xiàn)精確控制。

２)成型速度快 與傳統(tǒng)制造技術(shù)的多道工序逐步加工相比,增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的一次性直接成型[２８],大大縮短零件的成型周期,具有較快的成型速度。

３)成型件力學(xué)性能好 由于在增材制造技術(shù)成型的過(guò)程中金屬粉末熔凝速度快,因此成型零件的組織細(xì)小且均勻,在強(qiáng)度上通常高于傳統(tǒng)鑄造、鍛造技術(shù)制備的鈦合金。

1.2 多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

多孔結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)、幾何形態(tài)對(duì)其力學(xué)性能與生物性能有著很大的影響,常用來(lái)評(píng)價(jià)多孔結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)有單元尺寸L、桿徑S、孔徑D 及孔隙率P,如圖２所示。P 為多孔結(jié)構(gòu)孔隙體積占單元體積的比例。目前國(guó)內(nèi)外常用的多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computeraideddesign,CAD)法、三周期極小曲面法、Voronoi圖法、拓?fù)鋬?yōu)化法等。表２為４種設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)及所設(shè)計(jì)出多孔結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)。

2、增材制造多孔鈦合金力學(xué)性能研究

2.1幾何形態(tài)與幾何參數(shù)對(duì)力學(xué)性能的影響

作為植入體,多孔鈦合金的力學(xué)性能至關(guān)重要,必須具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度,以保證植入后不會(huì)發(fā)生變形破壞,且應(yīng)與人體骨彈性模量接近,以避免發(fā)生應(yīng)力遮擋[３７]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)壓縮試驗(yàn)和有限元仿真對(duì)多孔鈦合金的力學(xué)性能進(jìn)行研究。諸多研究表明,多孔結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)、幾何參數(shù)對(duì)其力學(xué)性能有著很重要的影響。楊立軍等[３８]對(duì)方形孔、圓形孔和蜂窩孔３種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔徑相同時(shí),３種結(jié)構(gòu)中蜂窩孔的彈性模量最高,其次為圓形孔,方形孔的彈性模量最低,并且當(dāng)孔隙率為７８．４％~８９．６％時(shí),其彈性模量為２１．２５~１３．０４GPa,與人體股骨力學(xué)性能相近。MOLINARI等[３９]研究了 SLM 技術(shù)成型的１０種不同幾何形態(tài)、孔隙率在４７．８％~８２．６％范圍內(nèi)的多孔鈦合金。結(jié)果表明,當(dāng)多孔結(jié)構(gòu)中無(wú)沿載荷施加方向排列的支桿時(shí),其強(qiáng)度通常較低,且所有試件的抗壓強(qiáng)度為１０~２５０MPa,彈性模量為１~２０GPa,與人體皮質(zhì)骨的彈性模型非常相似。上述研究為后續(xù)學(xué)者在多孔結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)設(shè)計(jì)方面提供了參考,未來(lái)研究應(yīng)在滿(mǎn)足人體骨力學(xué)性能的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)與天然骨小梁結(jié)構(gòu)更為接近的孔形態(tài),使其具有更好的仿生性。

ZAHARIN 等[４０]采用SLM 技術(shù)制備了孔隙率為５57.48％~79.36％的多孔鈦合金,發(fā)現(xiàn)當(dāng)其孔隙率約為70％時(shí)具有與天然骨相近的力學(xué)性能。ZHANG 等[４１]采用 SEBM 技術(shù)制備了孔隙率為 61.444％ ~79.665％的多孔鈦合金,發(fā)現(xiàn)其彈性模量比致密鈦合金降低了９１％~９６％,總體上與人體骨彈性模量相近。李卿等[４２]研究了SLM 技術(shù)制備的多孔鈦合金的力學(xué)性能。結(jié)果表明,當(dāng)孔隙率從58.0％下降到45.2％時(shí),抗壓強(qiáng)度從223.1MPa提升至351.6MPa,彈性模量從15.1MPa提升至25.7GPa。EPASTO 等[４３]研究了單元尺寸為２,３,６ mm 多孔鈦合金的壓縮性能,發(fā)現(xiàn)隨著單元尺寸的減小,試件的抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。

LEARY 等[４４]在研究中也發(fā)現(xiàn),當(dāng)孔隙率不變時(shí),多孔結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著單元尺寸的增加而降低,這是因?yàn)閱卧叽绱蟮慕Y(jié)構(gòu)支桿長(zhǎng)度較長(zhǎng),因此更容易發(fā)生屈曲,導(dǎo)致力學(xué)性能下降。目前,對(duì)于多孔鈦合金力學(xué)性能的研究大都集中在壓縮性能方面,后續(xù)研究應(yīng)對(duì)其拉伸性能進(jìn)行關(guān)注,以實(shí)現(xiàn)對(duì)其性能更全面地掌握。

由以上研究可以看出,雖然不同幾何形態(tài)、幾何參數(shù)下的多孔鈦合金在力學(xué)性能上差異較大,但存在一個(gè)規(guī)律,即多孔鈦合金的抗壓強(qiáng)度和彈性模量與其孔隙率成反比,隨著孔隙率的上升二者通常會(huì)下降。因此,由支桿組成的多孔結(jié)構(gòu)更有利于獲得預(yù)期的力學(xué)性能,可在支桿直徑一定時(shí)對(duì)單元尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié),或在單元尺寸一定時(shí)對(duì)支桿直徑進(jìn)行調(diào)節(jié),使得結(jié)構(gòu)的孔隙率發(fā)生改變,實(shí)現(xiàn)對(duì)力學(xué)性能的調(diào)控。此外,由于多孔結(jié)構(gòu)的孔隙率與支桿的總體積有關(guān),因此可在孔隙率一定時(shí),通過(guò)改變與載荷垂直方向、增加沿載荷施加方向上的支桿數(shù)量,改變結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力,使力學(xué)性能達(dá)到預(yù)期值。

2.2 基于 GibsonＧAshby模型的力學(xué)性能預(yù)測(cè)

由于多孔鈦合金的力學(xué)性能至關(guān)重要,因此對(duì)其力學(xué)性能預(yù)測(cè)吸引著國(guó)內(nèi)外學(xué)者的興趣。通過(guò)模型理論對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)是一種常用方法,其中,GibsonＧAshby模型是多孔材料領(lǐng)域中最具有代表意義的經(jīng)典模型,該模型基于立方構(gòu)架連接的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)[４５],根據(jù)該模型可推導(dǎo)出多孔結(jié)構(gòu)相對(duì)密度、抗壓強(qiáng)度及彈性模量的數(shù)學(xué)關(guān)系如下[４６]:

YANG 等[４７]根據(jù) GibsonＧAshby模型對(duì)所設(shè)計(jì)孔鈦合金的相對(duì)密度與彈性模量、抗壓強(qiáng)度仿真值間的關(guān)系進(jìn)行擬合,并采用SLM 技術(shù)制備壓縮試件進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明,模型可較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其孔隙率與力學(xué)性能間的關(guān)系,可通過(guò)對(duì)孔隙率進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多孔鈦合金力學(xué)性能的調(diào)控。CHEN 等[４８]采用 SLM技術(shù)制備了不同孔隙率的多孔鈦合金,并對(duì)其相對(duì)密度與力學(xué)性能間的擬合關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,擬合方程在總體上具有較好的預(yù)測(cè)效果。但通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),相對(duì)密度較低試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)模型的擬合曲線偏差較大,因此應(yīng)注意,當(dāng)多孔結(jié)構(gòu)的孔隙率較高時(shí),在強(qiáng)度方面可能無(wú)法通過(guò) GibsonＧAshb模型獲得準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)值。XU 等[４９]對(duì)SLM 成型不同單元尺寸多孔鈦合金的動(dòng)態(tài)彈性模量與相對(duì)密度之間y的關(guān)系進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在單元尺寸較小時(shí),由于支桿間幾乎相互接觸導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的抗變形能力提高,因此n２值隨著單元尺寸的減小而減小。針對(duì)單元尺寸對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量的影響,作者提出了以特征參數(shù)F(L)來(lái)代替n２,獲得的擬合方程相關(guān)系數(shù) R２ 為０．９９３７,表明通過(guò)該模型對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)具有較高的精度。

上述研究表明,在使用 GibsonＧAshby模型對(duì)多孔鈦合金的力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí),總體上能夠達(dá)到令人滿(mǎn)意的效果,但由于結(jié)構(gòu)孔隙率過(guò)高、單元尺寸過(guò)小等原因,預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值間會(huì)存在偏差。有學(xué)者認(rèn)為產(chǎn)生偏差的原因可能與試件存在殘余應(yīng)力、試件表面黏附未熔粉末以及試件的體積在支桿相交處容易被重復(fù)計(jì)算等有關(guān)[50]。因此,未來(lái)應(yīng)對(duì)如何消除預(yù)測(cè)值的偏差進(jìn)行深入研究,實(shí)現(xiàn)對(duì)多孔鈦合金力學(xué)性能更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。

3、增材制造多孔鈦合金在生物醫(yī)療領(lǐng)域的研究與應(yīng)用

3.1 促骨長(zhǎng)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(xì)胞的黏附、擴(kuò)散及分化等過(guò)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán),可很好地促進(jìn)骨組織的生長(zhǎng)[５１]。大量研究表明,多孔鈦合金的孔徑、孔隙率等幾何參數(shù)對(duì)其促骨長(zhǎng)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(wú)統(tǒng)一的定論。

KARAGEORGIOU 等[５２]建議使用大于３００μm 的孔徑;FUKUDA 等[５３]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)孔徑在 ５００~１２００μm 時(shí),５００μm 的孔徑具有最優(yōu)的成骨誘導(dǎo)作用;NUNE等[５４]指出,孔徑在５~１５μm 時(shí)只適合纖維細(xì)胞的長(zhǎng)入,１０~１２０μm 的孔徑適合軟骨細(xì)胞的生長(zhǎng),而１００~４００μm 的孔徑更適合成骨細(xì)胞的生長(zhǎng);鄧珍波等[５５]認(rèn)為,理想的孔徑、孔隙率分別在３００~９００μm 和６０％~９５％之間。

TANIGUCHI等[５６]采用SLM 技術(shù)制備了孔隙率為６５％、孔徑分別為３００,６００,９００μm 的板狀與柱狀多孔鈦合金支架(如圖３所示)[５６],并將支架分別植入到日本白兔的脛骨與股骨處,在植入后第２,４,８周時(shí)進(jìn)行了與骨分離的力學(xué)試驗(yàn)以評(píng)估其結(jié)合強(qiáng)度。結(jié)果表明,孔徑為６００μm 的支架與骨結(jié)合強(qiáng)度明顯高于其他２種孔徑,且具有良好的與骨結(jié)合能力和較快的骨長(zhǎng)入速度,是一種適用于植入體的多孔結(jié)構(gòu)。該研究可為后續(xù)學(xué)者在多孔鈦合金促骨長(zhǎng)成性能方面提供孔徑尺寸的參考,未來(lái)研究可對(duì)此孔徑區(qū)間進(jìn)行細(xì)化,以探索更為理想的孔徑值。

劉路坦等[５７]采用SEBM 技術(shù)制備出孔隙率分別為３５％,５５％,７５％的３組多孔鈦合金支架,分別植入在新西蘭白兔的股骨干處,并在術(shù)后第１６周取出進(jìn)行組織學(xué)觀察,如圖４所示。３組支架中孔隙率為３５％的骨長(zhǎng)入效果最差,孔隙率為５５％的稍好,孔隙率為７５％的最佳。對(duì)其原因進(jìn)行分析,可能是７５％的孔隙率能夠?yàn)楣羌?xì)胞的生長(zhǎng)提供足夠的空間,而３５％的孔隙率則會(huì)影響孔隙形成有效聯(lián)通,導(dǎo)致新生組織被擋在孔隙外而無(wú)法很好地長(zhǎng)入。該研究結(jié)果可加深后續(xù)學(xué)者對(duì)孔隙率與骨長(zhǎng)入效果之間關(guān)系的認(rèn)知,未來(lái)研究應(yīng)注意多孔鈦合金的孔隙率不宜過(guò)低,避免其對(duì)組織的生長(zhǎng)造成限制。

然而也并非孔徑越大、孔隙率越高時(shí)骨長(zhǎng)入效果越好。NUNE 等[５１]采用 SEBM 技術(shù)制備了３種孔徑在７００~１５００μm 的多孔鈦合金支架,對(duì)應(yīng)孔隙率在７６％~９０％。通過(guò)將成骨細(xì)胞接種在多孔鈦合金支架上,發(fā)現(xiàn)隨著多孔結(jié)構(gòu)孔隙率的增加,接種效率明顯降低。劉邦定等[５８]認(rèn)為當(dāng)孔徑過(guò)大時(shí)多孔鈦合金無(wú)法起到良好的支架作用,導(dǎo)致孔隙中心的骨生長(zhǎng)速度減緩,影響局部骨缺損修復(fù)的效果。因此應(yīng)當(dāng)注意,在對(duì)多孔鈦合金進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造時(shí),其孔徑、孔隙率應(yīng)在合理的范圍內(nèi),這是保證多孔鈦合金具有良好促骨長(zhǎng)成性能的前提。

3.2 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(duì)個(gè)體之間的差異性,多孔植入體也逐漸向個(gè)性化發(fā)展。

3.2.1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(guó)內(nèi)外相關(guān)的動(dòng)物試驗(yàn)和臨床研究相對(duì)較少,也尚無(wú)產(chǎn)品通過(guò)食品藥品監(jiān)督管理局的注冊(cè)批準(zhǔn)[５９]。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。

WALLY 等[６０]對(duì)采用增材制造技術(shù)制備的多孔鈦合金在齒科種植體中的應(yīng)用進(jìn)行了分析,認(rèn)為其孔徑大小與形態(tài)可控,且具有良好的生物相容性,因此有望替代傳統(tǒng)種植體。隨后,WALLY 等[６１]又采用 SLM技術(shù)制備了孔隙為梯度且可控的多孔鈦合金支架,通過(guò)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試與細(xì)胞培養(yǎng)測(cè)試,評(píng)估其用于齒科種植體的可能性。結(jié)果表明,其抗壓強(qiáng)度在松質(zhì)骨的范圍內(nèi),并且能夠很好地支持骨細(xì)胞的生長(zhǎng)。秦風(fēng)利等[６２]針對(duì)傳統(tǒng)牙根種植體存在的彈性模量高、生物活性低等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了單根型、多根聯(lián)合型、多根分根型３種不同結(jié)構(gòu)的個(gè)性化多孔鈦合金種植體,采用SLM 技術(shù)進(jìn)行制備,如圖５所示。所制得的個(gè)性化多孔種植體在形態(tài)上與正常牙根高度相似,可確保植入初期的穩(wěn)定性。通過(guò)將種植體植入在比格犬的頜骨處進(jìn)行驗(yàn)證,證實(shí)了其能夠在生物體內(nèi)與骨組織達(dá)到良好的結(jié)合效果。以上研究表明,增材制造技術(shù)適合用于齒科種植體的制造,與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比,其更具有生物性能和個(gè)性化方面的優(yōu)勢(shì)。

LEE等[６３]針對(duì)一位下頜骨缺損的患者采用 SEBM 技術(shù)制備了多孔鈦合金植入體,成功地恢復(fù)了患者下頜的功能與美觀。SUSKA 等[６４]采用個(gè)性化設(shè)計(jì)方法為一位切除左下頜的患者設(shè)計(jì)了個(gè)性化植入體,將其兩端與骨結(jié)合處設(shè)計(jì)成為多孔結(jié)構(gòu)以促進(jìn)骨組織的長(zhǎng)入。采用SEBM 技術(shù)制備的鈦合金植入體在術(shù)后３個(gè)月的隨訪中表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性,并且外觀也令患者滿(mǎn)意。YAN 等[６５]基于一名頜骨全缺損志愿者的CT 數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)并采用SEBM 技術(shù)制備了個(gè)性化多孔鈦合金下頜(如圖６所示)進(jìn)行植入,術(shù)后患者恢復(fù)良好,無(wú)松動(dòng)和排斥反應(yīng)。此外,作者還對(duì)１２只下頜骨缺損的犬類(lèi)進(jìn)行了移植驗(yàn)證,在植入后其下頜骨均恢復(fù)良好,且在術(shù)后１２個(gè)月時(shí)的相關(guān)參數(shù)均與正常下頜骨接近。以上研究證明了使用個(gè)性化多孔鈦合金植入體對(duì)下頜骨進(jìn)行修復(fù)是可行的。此外,在使用患者的 CT 數(shù)據(jù)進(jìn)行模型重建時(shí),應(yīng)注意數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換時(shí)模型的精度問(wèn)題,保證設(shè)計(jì)出的植入體可與患者精確匹配。

3.2.2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(pán)高度并實(shí)現(xiàn)骨融合[６６]。目前國(guó)外已有多家公司,如美國(guó) Stryker,NexxtSpine公司和德國(guó)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(mén)的上市批準(zhǔn),并逐漸應(yīng)用于臨床。在中國(guó),北京大學(xué)第三骨科醫(yī)院劉忠軍教授團(tuán)隊(duì)與北京愛(ài)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(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局(Chinafoodanddrugadministration,CFDA)的注冊(cè)批準(zhǔn)。劉忠軍教授團(tuán)隊(duì)也成功完成了世界首例增材制造多孔融合器的置換手術(shù),患者手術(shù)后恢復(fù)效果良好[６７]。但目前關(guān)于多孔融合器臨床應(yīng)用效果的報(bào)道還相對(duì)較少[６８],大多數(shù)研究還處于設(shè)計(jì)與制造階段。圖７所示為伊明揚(yáng)[６９]設(shè)計(jì)并采用 SLM 技術(shù)制備的多孔鈦合金融合器[６９]。

舒啟航等[７０]對(duì)所設(shè)計(jì)的多孔融合器進(jìn)行了有限元分析,通過(guò)與傳統(tǒng)融合器進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),多孔融合器在不同工況下的峰值應(yīng)力均有顯著下降,可有效避免應(yīng)力集中現(xiàn)象,降低植入體下沉風(fēng)險(xiǎn)。MOUSSA 等[７１]對(duì)人體在做６種動(dòng)作時(shí)融合器的受力進(jìn)行了有限元分析,根據(jù)分析結(jié)果對(duì)融合器的多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行梯度密度優(yōu)化。與傳統(tǒng)融合器的對(duì)比結(jié)果表明,該梯度多孔融合器在做相同動(dòng)作時(shí)的最大應(yīng)力值降低了１１．０％~１４．０％,有效降低了骨Ｇ植入體的接觸應(yīng)力,有利于提高植入后的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。以上研究可為具有更優(yōu)生物性能椎間融合器的設(shè)計(jì)提供參考,后續(xù)研究應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化后融合器的力學(xué)試驗(yàn)和體外生物試驗(yàn),進(jìn)一步推動(dòng)其在臨床應(yīng)用中的進(jìn)展。

3.2.3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(kāi)展最為廣泛的人工關(guān)節(jié)置換術(shù)之一[７２],髖臼杯是常用的髖關(guān)節(jié)植入體。目前國(guó)外獲得注冊(cè)批準(zhǔn)的增材制造多孔鈦合金髖臼杯產(chǎn)品相對(duì)較多,國(guó)內(nèi)北京愛(ài)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、２０１９年獲得了 CFDA的注冊(cè)批準(zhǔn)。圖８所示為意大利 Lima公司采用 SEBM 技術(shù)制備的多孔鈦合金髖臼杯產(chǎn)品。目前增材制造多孔鈦合金髖臼杯已廣泛應(yīng)用在髖關(guān)節(jié)手術(shù)中,臨床效果良好。

GENG 等[７４]對(duì)９０位初次使用多孔鈦合金髖臼杯進(jìn)行全髖關(guān)節(jié)置換的患者在術(shù)后 ２~６ 年進(jìn)行了隨訪,結(jié)果顯示其平均Harris髖關(guān)節(jié) 評(píng) 分 從 術(shù) 前 (４５．２±４．８)分 提 高 至 末 次 隨 訪 的(９５．８±６．０)分。該研究表明多孔鈦合金髖臼杯能夠在全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中提供較高的手術(shù)成功率和良好的術(shù)后穩(wěn)定性。PERTICARINI等[７５]對(duì)１０４位使用多孔鈦合金髖臼杯進(jìn)行翻修手術(shù)的患者在術(shù)后２~１２年進(jìn)行了隨訪,結(jié)果顯示,其平均 Harris髖關(guān)節(jié)評(píng)分從術(shù)前４３．７分提高至末次隨訪的８４．４分。該研究證實(shí)了多孔鈦合金髖臼杯在翻修術(shù)后具有良好的臨床和影像學(xué)效果。在 MEO 等[７６]、WAN 等[７７]、LI等[７８]報(bào)道的全髖關(guān)節(jié)置換與翻修手術(shù)中,多孔鈦合金髖臼杯均獲得了令人滿(mǎn)意的效果。

4、研究展望

基于數(shù)字化模型的增材制造技術(shù)能夠成型具有多孔結(jié)構(gòu)的鈦合金,可有效解決致密金屬與人體骨之間存在應(yīng)力遮擋的問(wèn)題,并且有利于骨組織的長(zhǎng)入,因此吸引了眾多學(xué)者對(duì)其力學(xué)性能、生物性能進(jìn)行研究,近年來(lái)在植入體中也有著越來(lái)越廣泛的研究與應(yīng)用。根據(jù)當(dāng)前階段的研究狀況,增材制造醫(yī)用多孔鈦合金仍面臨著成型設(shè)備、多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)性能預(yù)測(cè)及鈦合金材料等方面的難題,因此未來(lái)的研究主要可從以下４方面入手。

１)成型設(shè)備的研發(fā)。由于成型設(shè)備的固有特性,當(dāng)前階段SLM 技術(shù)成型件通常存在殘余應(yīng)力,而EBM技術(shù)成型件表面質(zhì)量有待提高。對(duì)于批量化生產(chǎn)的多孔植入體,僅具有單激光器的設(shè)備在成型速度上已不能滿(mǎn)足需求,擁有多激光器的設(shè)備正逐漸在市場(chǎng)上出現(xiàn)。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)有更高成型質(zhì)量、成型效率的設(shè)備被研發(fā)出來(lái),應(yīng)用到多孔鈦合金的成型制備。

２)多孔結(jié)構(gòu)的仿生化設(shè)計(jì)。目前多孔支架、多孔植入體的構(gòu)建大多還是通過(guò)對(duì)單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行陣列,獲得規(guī)則有序的多孔結(jié)構(gòu),這與天然人體骨隨機(jī)無(wú)序的多孔結(jié)構(gòu)還有一定的差別,并且人體骨在整體結(jié)構(gòu)上并非密度均質(zhì),而是呈現(xiàn)出外部致密、內(nèi)部疏松的梯度結(jié)構(gòu)。因此,多孔結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上應(yīng)向仿生化發(fā)展,以實(shí)現(xiàn)將植入體要求的高力學(xué)性能與高生物性能有機(jī)地結(jié)合。

３)GibsonＧAshby模型的修正。雖然使用 GibsonＧAshby模型對(duì)多孔鈦合金的力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)可獲得較為滿(mǎn)意的結(jié)果,但由于成型誤差、試件存在殘余應(yīng)力等原因,預(yù)測(cè)結(jié)果仍存在一定的偏差。目前已有學(xué)者證明通過(guò)對(duì)模型添加修正系數(shù)可獲得更為準(zhǔn)確的結(jié)果,因此 GibsonＧAshby模型的修正是未來(lái)研究的一個(gè)方向。

４)新型鈦合金材料的開(kāi)發(fā)。雖然目前最為常用的 Ti６Al４V 合金擁有良好的生物相容性,但也有學(xué)者指出,其所含有的 Al和 V 元素在進(jìn)入人體后有潛在的不良反應(yīng)[７９Ｇ８０]。目前,越來(lái)越多新型抗菌鈦合金、低彈性模量鈦合金等逐漸被開(kāi)發(fā)出來(lái)并進(jìn)入臨床研究,因此新材料的開(kāi)發(fā)是未來(lái)醫(yī)用多孔鈦合金發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

作者：張永弟,王琮瑜,王琮瑋,楊 光