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)。