激光天地導讀：傳統的金屬支架等假體，作為在臨床整形手術中得到大量應用的醫用植入物，在肢體的重建上起到了非常重要的作用。然而，骨缺陷和額外塗層之間的不匹配，導致傳統的假體植入物在人體中的長期存在受到了巨大的挑戰。最近，增材製造技術的發展和應用為製造複雜結構的假體開創了前所未有的應用可能，對個性化定製微孔假體也開闢了新的可能。可以很好的解決以上提到的傳統制造方法所帶來的問題。本文則為大家展現了最為常見的採用金屬增材製造技術製造的微孔金屬支架、整形手術中的個性化定製的假體等的應用。目前金屬製造中存在的挑戰和今後可能的應用也進行了總結。

如下為大家分享來自吉林大學第二醫院的綜述文章，論文題目：Additive manufacturing technique-designed metallic porous implants for clinical application in orthopedics。文章首頁截圖如下如下：

1.

增材製造（AM，又叫3D打印，或3DP）相比較於傳統制造而言，其最大的優勢就是可以在短時間內快速的製造出獨特且複雜的結構來。該技術被《經濟學人》稱之為第三次工業革命，是引起下一代全球工業和技術變革的技術。如今，AM技術已經在很多領域得到了廣泛的應用，尤其是在整形手術中的應用、增材製造技術可以說是一門熱門技術，佔據到整個增材製造應用的16.4%的份額。基於金屬增材製造技術的原理，AM可以分為五大類，SLM、SEBM、DED、BJ和SL等。每一種技術均有其優缺點，為了更好的發揮每一種技術的優勢和揚長避短，所以非常有必要好好研究每一種技術的特徵。

可以用於3D打印的材料主要有陶瓷、金屬和聚合物。金屬及合金是目前整形手術中應用最為廣泛的材料，這是因為金屬相比較於陶瓷和聚合物來說，其生物相容性佳、機械性能高和耐腐蝕性能強。然而，美中不足的是，金屬與合金（~110GPa）和人體骨（4~20GPa）之間的彈性模量相差比較大，從而會發生應力屏蔽效應。這會導致金屬只如題的鬆動和最終失效，甚至會導致二次手術的發生

在過去的幾十年內，傳統的假體在整個整形手術中已經得到了較為廣泛的應用。然而，在使用過程中，傳統假體的應用還存在諸多的問題，如對全骨的支撐替換存在不足且與骨結合性較弱，這造成植入物的失效，甚至有可能還需要二次手術。通過CT或MRI技術得到的3D掃描數據，輔以CAD軟件模型和拓撲優化設計，植入假體的製造可以方便 的進行個性化製造來實現。於是3DP在整形手術中具有非常廣闊的應用市場，而且3DP還為個性化定製複雜的假體提供了新的可能

本文則綜述了3DP金屬打印技術，金屬支架的創新設計以及在整形手術中的臨床應用。見圖1。每一技術的工作原理、優缺點也做了介紹和比較。植入體的表面粗糙度、孔隙率與剛度、孔的尺寸和分佈之間的優化設計均做了討論。最後，3DP的創新研究與未來發展也做了介紹。

圖1整形手術應用過程金屬植入體進行3D打印時需要進行設計和考的示意圖

2.如今，用於金屬打印的技術主要有五種，分別是鋪粉式激光打印（SLM）、電子束打印（SEBM）、能量直接沉積（DED）、BJ（Binder Jetting，粘結劑噴射技術）和SL（Sheet Lamination，薄板層壓技術），見圖2所示。以上幾種技術對大家來說，可謂耳熟能詳。這裡就不做過多介紹了。

圖2幾種主流的金屬打印技術示意圖 : (a) SLM, (b) binder jetting (c) EBM syste

（d）DED，（e）UAM

3.金屬支架的設計要求

人體骨是具有嚴格等級制度的生物體。主要包括兩大類，一是皮質骨（Cortical bone），一是松質骨（Cancellous bone），見下圖3和4。皮質骨的彈性模量為3~30GPa，松質骨的彈性模量為0.02~2GPa。所以為了降低應力屏蔽效應，將金屬支架的內部設計成多孔是一種較為理想的選擇。而且多孔結構還有利於骨再生和起到生物固定的作用。

圖3 皮質骨（Cortical）來自網絡

圖4 松質骨（Cancellous） 來自網絡

圖5 實驗數據圖

(A)六種多孔設計的Ti6AL4V合金在汙染的活的或死的環境下的結果 (B) 不同孔隙的Ti6AL4V在GM或OM條件下的DNA鑑定, 新陳代謝和ALP活動能

採用CADE軟件設計的內部和外部多孔元素的圖像案例

採用3DP進行植入體制造的基本操作步驟

S

在X射線或MRI下的植入體影像

臨床實際植入物

臨床實際植入物

DOI: 10.1039/C8RA04815K (Review Article) RSC Adv., 2018, 8, 25210-25227

Additive manufacturing technique-designed metallic porous implants for clinical application in orthopedics

Chaohua Gao等

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關鍵字: 國創上頭條 整形外科 設計