3D打印医用多孔钛合金应用现状

来源：钛之家

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，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，导致骨吸收、皮质骨逐渐变薄，甚至发生植入体松动。

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。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，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，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。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（SLM）技术、激光选区烧结（SLS）技术、电子束选区熔化（SEBM）技术、激光熔覆（LC）技术和电弧增材制造（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。

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。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。

△3 种孔径的多孔钛板和多孔圆柱

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。

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。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。

△3 种个性化多孔钛合金种植体

△个性化多孔钛合金下颌植入体

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。目前国外已有多家公司，如美国 Stryker，Nexxt Spine 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（China food and drug administration，CFDA）的注册批准。

△多孔合金椎间融合器

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，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年和、2019 年获得了 CFDA 的注册批准。