中國粉體網訊 增材制造又稱3D打印，雖然早在1992年美國麻省理工學院就研制出該項技術，但直到近年來，由于打印機的市場化、噴頭技術和三維數字化技術的飛躍，3D打印才再次成為科研和應用研究的熱點，特別是在醫療領域和轉化醫學領域。
3D金屬打印簡易工藝流程圖
3D打印技術初期多采用樹脂材料，但樹脂僅能作為模型使用，無法植入人體，醫學領域人體植入物材料的研究重心即從樹脂材料轉移到金屬材料、陶瓷材料、生物材料、復合材料等。因目前金屬打印技術更為成熟，金屬材料倍加重視。
在醫學廣泛應用的骨科植入物金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金、鈦及鈦合金、貴金屬和純金屬（鉭、鈮等）5大類。
不銹鋼
醫用不銹鋼與工業用不銹鋼不同，最突出的特點就是作為植入物要求其在人體內保持優良的耐蝕性能，盡量沒有有害金屬離子溶出。由于不銹鋼中含有的鎳元素對人體細胞有明確的危害，因此低鎳和無鎳奧氏體不銹鋼已經成為國際醫用不銹鋼的應用趨勢。
目前臨床上大量應用的主要是Fe-Cr-NiMo成分體系的奧氏體不銹鋼，編號為316L、317L。但由于不銹鋼材料本身的缺陷過多，如：彈性模量過高（約200GPa），與骨組織相差大，應力遮擋效應過于明顯；在生物環境中的腐蝕問題依然存在，而且植入人體時間越久，腐蝕程度越嚴重，造成發炎、過敏等不良反應，影響人體健康；低鎳的醫用不銹鋼仍有Ni、Cr等金屬離子溶出導致的組織反應問題，比如Ni接觸性皮炎、過敏性濕疹、Ni毒性效應等。因此，不銹鋼材料在臨床應用和醫學科研方面的應用逐漸進入“冷宮”狀態。
純鈦及鈦合金
純鈦因為抗腐蝕性能優良，但強度較低、耐磨性較差，多在口腔領域用于義齒、牙種植體、顱頜釘板等，顯然不適合骨科系統，特別是在強度方面，從而限制了它在骨科較大承載力部位的使用。
鈦合金分為以下三類：α合金，（α+β）合金和β合金，在我國分別以TA、TC、TB表示，其中α合金為密排六方晶格結構，β合金為體心立方晶格結構。
發展至今的第三代鈦合金外科植入物即具有高強度、低彈性模量、優異成形性和抗腐蝕性能的β鈦合金，相較第一代/第二代鈦合金，其更適于作為人體內植入物。目前作為鈦合金材料研究的重點，將來有可能取代醫學領域中現廣泛使用的Ti-6Al-4V合金。
在美國，已有5種β鈦合金被推薦至醫學領域，即TMZFTM（TI-12Mo-Zr2Fe）、Ti-13Nb-13Zr、Timetal21SRx（TI-15Mo2.5Nb-0.2Si）、Tiadyne1610（Ti-16Nb-9.5Hf）和Ti15Mo。
鈷基合金
又稱鈷鉻合金，是一種硬質合金，耐磨損、耐腐蝕，還具有抗高溫氧化的性能，即通常所說“司太立”合金。鈷基合金是以鈷作為主要成分，主要分為兩類：一類是Co-Cr-Mo合金（F75），另一類是Co-Ni-Cr-Mo合金（F562），都是主要用于制造關節置換假體的連接件部分。
美國材料實驗協會列出了4種鈷基合金，被推薦在外科植入物中使用：1）可鑄造的鈷鉻相合金（F75）；2）可鍛造的鈷鎳鉻鋁合金（F562）；3）可鍛造的鈷鉻鎢鎳合金（F590）；4）可鍛造的鈷鎳鉻鋁鎢鐵合金（F563）。上述的4大類醫用鈷基合金目前僅有兩種合金（F75和F562）被廣泛用于制作人體植入物。
鈷基合金具有極好的機械性能，良好的生物耐受性和非常高的體內耐腐蝕性，因此它們被廣泛應用于長期植入人體的人工關節部件，曾經金屬對金屬界面被認為是有史以來最耐磨的硬性界面，但由于不可預知的金屬離子對人體的危害，導致產品應用受到極大限制。
其他貴金屬和純金屬
醫用稀有貴金屬主要包括金、銀、鉑、鈮、鋯、鉭等。近年來已有大量基礎研究和臨床實踐表明，在無毒性和生物相容性方面表現較佳的排在前3位的金屬材料是：鈮、鉭、鈦。
鉑（Pt）是硅膠和凝膠生產過程中的催化劑，包含美國食品藥品管理局在內的多個機構在進行調查后，并未發現鉑在體內具有毒性的證據，因此鉑金硅膠是多種醫療植入物的成分，例如關節修復體、人工腰椎間盤等等。
鈮（Nb）很少單獨使用，主要用于制造超級合金，如硅-鈮合金、鈦-鈮合金、鋯-鈮合金，作為一種優秀的添加劑可以大幅改善合金的性能。有資料顯示鈮具有很好的生物適應性：用鈮片網可以彌補頭蓋骨的損傷；鈮絲可以用來縫合神經和肌腱；鈮條可以代替折斷了的骨頭和關節；鈮絲制成的鈮紗或鈮網，可以用來補償肌肉組織。
鋯由于既能結合金屬，又能在高溫下形成氧化物陶瓷表面，工程材料學上常以鋯鈮合金為基礎，利用高溫在其表面原位形成氧化陶瓷層，可以獲得表面高耐磨、整體高強韌的醫學植入材料。氧化鋯陶瓷的性能超越第一代的氧化鋁陶瓷，已經成為硬性磨損界面的新一代產品。
鉭具有極佳的生物惰性和生物相容性，從1940年純鉭首次被應用于骨科領域，至今已應用于臨床80余年。在骨關節領域大量使用的多孔鉭技術，如初次髖關節置換的臼杯、髖膝缺損部位的墊塊等，以及多孔鉭棒植入治療早期股骨頭壞死，目前已有大量的長期隨訪安全有效的報道。
可吸收金屬材料
可吸收金屬材料主要分為：鎂基材料、鋅基材料和鐵基材料，其中鎂在體內降解速度最快，其次是鋅，鐵降解較慢，目前研究和使用較多的是鎂基材料，可以分為純鎂和鎂合金，純鎂由于降解過快，較少使用，可降解的鎂合金是研究熱門材料。作為3D打印的金屬材料需對其在生物體內的降解過程及離子的濃度監測作為首要的研究重點。
參考來源：金屬3D打印原理及可行性的醫用金屬粉體材料綜述，許瑋，福建省立醫院、福建省急診醫學重點實驗室（創傷研究室）
（中國粉體網編輯整理/平安）
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