3D打印鈦及鈦合金在頜骨修復(fù)領(lǐng)域的介紹
1.個性化設(shè)計(jì)和制作金屬
3D打印技術(shù)包括選擇性激光燒結(jié),選擇性激光熔化和選擇性電子束熔化,是以電子束或者激光為能量源,通過計(jì)算機(jī)將零件的三維實(shí)體模型通過計(jì)算機(jī)分層處理,轉(zhuǎn)變?yōu)槎S數(shù)據(jù),然后通過3D打印設(shè)備,金屬粉末逐層熔融、堆積,完成實(shí)體制造具有高精度、高效率、低消耗的優(yōu)勢。依據(jù)CT等影像數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件可以設(shè)計(jì)出與患者頜骨結(jié)構(gòu)和外形相一致的修復(fù)體,還可以設(shè)計(jì)多孔/網(wǎng)狀等復(fù)雜的結(jié)構(gòu),通過金屬3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜修復(fù)體的制作,可以幫助我們實(shí)現(xiàn)頜骨的個性化修復(fù)。已有研究設(shè)計(jì)并采用SLM制作中空的純鈦下頜骨髁突,該髁突不僅質(zhì)量輕,而且完全重塑了髁突的解剖外形,與患者的顳下頜關(guān)節(jié)相匹配。
Chen等設(shè)計(jì)和應(yīng)用SLM制作了2種上頜切牙種植體,一種為根形種植體,另一種為根形螺紋種植體,結(jié)果證實(shí)3D打印能夠設(shè)計(jì)和制作具有高密度、高強(qiáng)度和高精度的根形種植體,根形螺紋種植體具有更好的應(yīng)力分布,較低的微動和較好的初期穩(wěn)定性。多孔或三維網(wǎng)狀等復(fù)雜精細(xì)的結(jié)構(gòu)可以降低鈦及鈦合金修復(fù)體的質(zhì)量,還為細(xì)胞和血管的長入、營養(yǎng)物質(zhì)的輸送提供空間。但是,頜骨外形為不規(guī)則的曲面,三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)并不容易,尤其是復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)更是難點(diǎn)。初期下頜骨三維網(wǎng)狀組織工程支架建模研究顯示將3D打印技術(shù)與有限元拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合,能夠獲得理想的下頜骨網(wǎng)狀支架結(jié)構(gòu)。
2.打印鈦及
鈦合金的機(jī)械性能
作為骨組織修復(fù)體,鈦及鈦合金的機(jī)械性能與其植入體內(nèi)后的穩(wěn)定性、安全性與成骨能力密切相關(guān)。3D打印技術(shù)的工藝與金屬傳統(tǒng)方法如鑄造、鍛造、粉末冶金等不同,不同的制作工藝會影響鈦及鈦合金的組織結(jié)構(gòu),從而影響其機(jī)械性能。研究報(bào)道鍛造鈦合金的顯微組織結(jié)構(gòu)主要是粗大的、板狀或針狀α相間雜部分β相,鑄造鈦合金為α造鈦相,SLM鈦合金為α’馬氏體混合α相,EBM鈦合金是均一的針狀α相,在晶界處有少量β相。SLS制作鈦金屬的楊氏模量為104GPa左右,接近鍛造鈦金屬。SLM制作的Ti-6Al-4V的極限拉伸強(qiáng)度和屈服應(yīng)力于鍛造相似,優(yōu)于EBM。EBM的延展性優(yōu)于鍛造、SLM和鑄造,SLM的延展性較差。EBM的硬度高于SLM和鍛造鈦合金,而SLM和鍛造鈦合金的硬度相似。作為頜骨組織修復(fù)體,疲勞強(qiáng)度是鈦合金修復(fù)體的一個重要性能。Joshi等報(bào)道垂直取向的EBM鈦合金的疲勞強(qiáng)度高于水平取向的鈦合金。經(jīng)過熱等靜壓處理后,EBM制備的鈦合金的疲勞強(qiáng)度明顯提高,具有和鍛造鈦合金相似的疲勞強(qiáng)度性能。
3D打印制備的多孔
鈦合金的剛度和抗壓強(qiáng)度隨著孔隙率的增加而降低。EBM制備的孔隙率為61.5%的Ti6Al4V植入體,其抗壓強(qiáng)度為172MPa,彈性模量為3.1GPa,近似人骨組織。通過檢測3D打印三維網(wǎng)狀鈦合金支架的力學(xué)性能,證實(shí)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)單元經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的網(wǎng)狀鈦合金支架的生物力學(xué)性能可以滿足下頜骨修復(fù)的需求。但是,孔隙結(jié)構(gòu)同樣會影響鈦合金的疲勞強(qiáng)度,有研究報(bào)道SLM制作多孔鈦合金的疲勞極限低于實(shí)心鈦合金??紫堵什煌拟伜辖?,其抗疲勞強(qiáng)度也不同,但是,在低應(yīng)力作用下,多孔鈦合金的抗疲勞強(qiáng)度相似。因此,應(yīng)該依據(jù)鈦及鈦合金修復(fù)體應(yīng)用部位的力學(xué)要求,經(jīng)過力學(xué)分析來設(shè)計(jì)應(yīng)力分布更合理的修復(fù)體,通過3D打印技術(shù)來調(diào)整其機(jī)械性能,使其與骨組織相匹配,保證修復(fù)體在體內(nèi)能夠穩(wěn)定的行使功能,目前,這方面的研究還很少。
總的來說,3D打印技術(shù)制備的
鈦及鈦合金的機(jī)械性能與鍛造鈦合金相似,仍高于骨組織。多孔或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以降低鈦及鈦合金的機(jī)械性能,調(diào)整多孔或者三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)參數(shù)可以精確調(diào)控鈦合金的機(jī)械強(qiáng)度,使其與骨組織更匹配。但是,粉末冶金、發(fā)泡法、纖維燒結(jié)等多孔金屬方法無法實(shí)現(xiàn)此類設(shè)計(jì)的精確制作,而金屬3D打印技術(shù)可以按照設(shè)計(jì)精確制作出孔隙完全相互貫通的復(fù)雜的多孔或三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。