SLM增材制造多孔生物钛合金植入材料：机械、物理和拓扑的优化组合

来源：江苏激光联盟

摘要：骨科植入物的技术正处在不断进步的过程中，用于不断的提高同周围骨组织的相互作用，其目的是为了确保对患者有更好的植入效果。植入物与周围骨之间成功的生物学反应主要取决于机械性能、身体上的和拓扑性质的综合结果。因此， Ti6Al4V微孔结构成为解决和提高传统骨科植入物的最为有效的解决方案。本文介绍了一系列的解决方案来提高设计SLM制造Ti6Al4V微孔结构的解决措施。

通过三点弯曲来评估制备出来的微孔结构的弹性模量。形貌分析结果用来评估CAD设计尺寸和SLM实际制造尺寸之间的差异。有限元分析（调整后的CAD）用实验得到的尺寸数据来精确的复制SLM制造的结构的性质。同建立 了设计的CAD模型为函数的测量SLM尺寸相关联的线性回归方程。这个回归方程通过测量实际的孔隙率同设计的CAD尺寸之间的关系来获得。测量得到的数据可以进一步的用来作为FE分析和设计的参考，从而进一步的帮助工程设计人员来制造近净成型的SLM制造的微孔Ti6Al4V结构。

此外，抛光和喷砂后的 Ti6Al4V微孔结构表面可以获得适宜的性能，同获得的原始制造表面相比，无论是表面粗糙度和润湿性。毛细试验 表明所有分析的 Ti6Al4V微孔结构均能沿其表面结构进行传输液体。细胞活力试验结构则显示SLM制造的Ti6Al4V微孔结构并不会释放出有毒的物质。这表明这种结构可以确保细胞增殖和附着所具有的适宜的环境。这一研究成果还提出了一种设计 Ti6Al4V微孔结构的设计策略。即既有适宜的机械性能，同时还具有适宜的孔隙率、粗糙度、润湿性、毛细作用和细胞成活率，以上这些性能都同骨科植入物的性能密切相关。最后，还采取SLM技术制造了Ti6Al4V微孔结构的髋关节植入物原型，同时该植入物所具备的适宜的特征也一同在SLM制造的过程中获得。

采用SLM技术进行制造时从CAD到成品的示意图

研究成果：提出了SLM制造的实物样品与CAD结构尺寸之间的线性回归方程；孔隙率约为65%的Ti6Al4V微孔结构且具有适宜的弹性模量；细胞活力试验证明SLM结构并不会释放有毒性的物质；试样在抛光和喷砂后的表面具有超亲水性 ；采用SLM技术制造出Ti6Al4V微孔结构的髋关节植入物 原型。
SLM技术是一种高性能的金属增材制造技术，该技术选择性的熔化金属粉末、一道道的熔化、一层层的依照设计好的CAD模型进行堆积，从而获得金属制品。SLM技术具有高度的设计自由的优势。使用SLM技术，工程设计人员可以设计出复杂形状和具有个性化特征的产品，如多孔结构。这是传统的铸造、锻造工艺不可能或很难实现的。

对SLM制造的样品进行三点弯曲测试的机械系统

SLM制造多孔金属具有广阔的市场，这是因为多孔材料特别适合应用于生物领域，尤其是作为骨科植入物。如Ti6Al4V微孔结构具有多功能的特性，可以在一个部件上实现机械性能、物理性能和生物学性能的调制。SLM制造的多孔材料的精度问题是一个比较大的挑战，这是该技术本身存在CAD设计尺寸同SLM打印尺寸之间存在差异造成的。这种形状和尺寸上的差异，系统可以探测到。在这一方面，需要预测软件或在线监测技术来探测两者之间的差别，从而获得理想的多孔结构，即物理性能和机械性能均需要满足要求。有限元模拟技术，平衡于实验实验研究，可以作为工程上的一个工具来预测和校正SLM制造上的固有偏差。

SP1结点的FE模拟的网格划分

植入物和骨的成功的生物学反应取决于植入物的机械性能、拓扑优化结构、物理和化学性能。Ti6Al4V由于具有比强度高、生物相容性好、耐蚀性能好、弹性模量同不锈钢和Co基合金相比要低得多，从而广泛的应用于矫形外科手术中。然而，Ti6Al4V（大约为110GPa）的弹性模量同人体皮质骨相比（10-30GPa）相比仍然较高。这就导致植入材料和周围的骨头存在刚度不匹配的问题，从而会在界面产生应力分布不充分均匀的问题。围绕植入物的骨吸收直到一个特定的临界点才发现，一般是在植入手术10-20年之后才会发生，此时需要进行翻修手术。在这里，Ti6Al4V结构材料同骨的弹性模量不匹配，其弹性模量匹配就可以通过减少和避免同骨头的刚度不匹配的问题。

SP1、SP3、SP5钛合金微孔结构的SEM照片

植入材料的拓扑优化直接影响到骨头的生物学效应。临床实践证明，中等表面粗糙度（Ra=2-4μm）会导致早期康复、促进细胞的扩散和组织的融合。同时，也有报道称可以促进骨细胞的分化、减少破坏骨生长的细胞，同时促进骨的长合和矿化作用。

同一尺度下，CAD设计的尺寸和SLM实际打印尺寸之间的比较

植入物的表面能是另外一个重要的表面特征，同样对植入物和骨的长合具有十分重要的作用，这一特征通常采用固-液接触角（润湿角）来间接测量。同时也有相关研究发现亲水性的表面更有利于细胞的黏附、细胞的分化、细胞的矿物化。毛细作用是一种液体可以通过狭窄空间并反抗外力（如重力）而实现反向流动的能力。毛细能力对支架的细胞黏附和细胞的自我播种也具有非常重要的能力。

SP3、SP5 样品在SLM沉积态、抛光和喷砂三种不同状态下的SEM照片

在这里，Ti6Al4V微孔结构进行了设计并通过SLM设备进行了制造，其目的是为了获得适宜的弹性模量、孔隙率、表面粗糙度、润湿性以及毛细能力的综合性能的植入物。

SP4样品在沉积态时的亲水效果

sp5样品在（a）抛光状态下和（b）喷砂状态下的亲水实验结果

毛细实验的时间跨度及其相应地高度结果

SLM中制造的Ti6Al4V 微孔髋关节植入物的原型

Additive manufactured porous biomaterials targeting orthopedic implants: A suitable combination of mechanical, physical and topological properties，Materials Science and Engineering: C，Volume 107, February 2020, 110342，https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.110342