SLM增材制造多孔生物鈦合金植入材料：機械、物理和拓撲的優(yōu)化組合

來源：江蘇激光聯(lián)盟

摘要：骨科植入物的技術(shù)正處在不斷進步的過程中，用于不斷的提高同周圍骨組織的相互作用，其目的是為了確保對患者有更好的植入效果。植入物與周圍骨之間成功的生物學(xué)反應(yīng)主要取決于機械性能、身體上的和拓撲性質(zhì)的綜合結(jié)果。因此， Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)成為解決和提高傳統(tǒng)骨科植入物的最為有效的解決方案。本文介紹了一系列的解決方案來提高設(shè)計SLM制造Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)的解決措施。

通過三點彎曲來評估制備出來的微孔結(jié)構(gòu)的彈性模量。形貌分析結(jié)果用來評估CAD設(shè)計尺寸和SLM實際制造尺寸之間的差異。有限元分析（調(diào)整后的CAD）用實驗得到的尺寸數(shù)據(jù)來精確的復(fù)制SLM制造的結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。同建立 了設(shè)計的CAD模型為函數(shù)的測量SLM尺寸相關(guān)聯(lián)的線性回歸方程。這個回歸方程通過測量實際的孔隙率同設(shè)計的CAD尺寸之間的關(guān)系來獲得。測量得到的數(shù)據(jù)可以進一步的用來作為FE分析和設(shè)計的參考，從而進一步的幫助工程設(shè)計人員來制造近凈成型的SLM制造的微孔Ti6Al4V結(jié)構(gòu)。

此外，拋光和噴砂后的 Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)表面可以獲得適宜的性能，同獲得的原始制造表面相比，無論是表面粗糙度和潤濕性。毛細試驗 表明所有分析的 Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)均能沿其表面結(jié)構(gòu)進行傳輸液體。細胞活力試驗結(jié)構(gòu)則顯示SLM制造的Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)并不會釋放出有毒的物質(zhì)。這表明這種結(jié)構(gòu)可以確保細胞增殖和附著所具有的適宜的環(huán)境。這一研究成果還提出了一種設(shè)計 Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計策略。即既有適宜的機械性能，同時還具有適宜的孔隙率、粗糙度、潤濕性、毛細作用和細胞成活率，以上這些性能都同骨科植入物的性能密切相關(guān)。最后，還采取SLM技術(shù)制造了Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)的髖關(guān)節(jié)植入物原型，同時該植入物所具備的適宜的特征也一同在SLM制造的過程中獲得。

采用SLM技術(shù)進行制造時從CAD到成品的示意圖

研究成果：提出了SLM制造的實物樣品與CAD結(jié)構(gòu)尺寸之間的線性回歸方程；孔隙率約為65%的Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)且具有適宜的彈性模量；細胞活力試驗證明SLM結(jié)構(gòu)并不會釋放有毒性的物質(zhì)；試樣在拋光和噴砂后的表面具有超親水性 ；采用SLM技術(shù)制造出Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)的髖關(guān)節(jié)植入物 原型。
SLM技術(shù)是一種高性能的金屬增材制造技術(shù)，該技術(shù)選擇性的熔化金屬粉末、一道道的熔化、一層層的依照設(shè)計好的CAD模型進行堆積，從而獲得金屬制品。SLM技術(shù)具有高度的設(shè)計自由的優(yōu)勢。使用SLM技術(shù)，工程設(shè)計人員可以設(shè)計出復(fù)雜形狀和具有個性化特征的產(chǎn)品，如多孔結(jié)構(gòu)。這是傳統(tǒng)的鑄造、鍛造工藝不可能或很難實現(xiàn)的。

對SLM制造的樣品進行三點彎曲測試的機械系統(tǒng)

SLM制造多孔金屬具有廣闊的市場，這是因為多孔材料特別適合應(yīng)用于生物領(lǐng)域，尤其是作為骨科植入物。如Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)具有多功能的特性，可以在一個部件上實現(xiàn)機械性能、物理性能和生物學(xué)性能的調(diào)制。SLM制造的多孔材料的精度問題是一個比較大的挑戰(zhàn)，這是該技術(shù)本身存在CAD設(shè)計尺寸同SLM打印尺寸之間存在差異造成的。這種形狀和尺寸上的差異，系統(tǒng)可以探測到。在這一方面，需要預(yù)測軟件或在線監(jiān)測技術(shù)來探測兩者之間的差別，從而獲得理想的多孔結(jié)構(gòu)，即物理性能和機械性能均需要滿足要求。有限元模擬技術(shù)，平衡于實驗實驗研究，可以作為工程上的一個工具來預(yù)測和校正SLM制造上的固有偏差。

SP1結(jié)點的FE模擬的網(wǎng)格劃分

植入物和骨的成功的生物學(xué)反應(yīng)取決于植入物的機械性能、拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)性能。Ti6Al4V由于具有比強度高、生物相容性好、耐蝕性能好、彈性模量同不銹鋼和Co基合金相比要低得多，從而廣泛的應(yīng)用于矯形外科手術(shù)中。然而，Ti6Al4V（大約為110GPa）的彈性模量同人體皮質(zhì)骨相比（10-30GPa）相比仍然較高。這就導(dǎo)致植入材料和周圍的骨頭存在剛度不匹配的問題，從而會在界面產(chǎn)生應(yīng)力分布不充分均勻的問題。圍繞植入物的骨吸收直到一個特定的臨界點才發(fā)現(xiàn)，一般是在植入手術(shù)10-20年之后才會發(fā)生，此時需要進行翻修手術(shù)。在這里，Ti6Al4V結(jié)構(gòu)材料同骨的彈性模量不匹配，其彈性模量匹配就可以通過減少和避免同骨頭的剛度不匹配的問題。

SP1、SP3、SP5鈦合金微孔結(jié)構(gòu)的SEM照片

植入材料的拓撲優(yōu)化直接影響到骨頭的生物學(xué)效應(yīng)。臨床實踐證明，中等表面粗糙度（Ra=2-4μm）會導(dǎo)致早期康復(fù)、促進細胞的擴散和組織的融合。同時，也有報道稱可以促進骨細胞的分化、減少破壞骨生長的細胞，同時促進骨的長合和礦化作用。

同一尺度下，CAD設(shè)計的尺寸和SLM實際打印尺寸之間的比較

植入物的表面能是另外一個重要的表面特征，同樣對植入物和骨的長合具有十分重要的作用，這一特征通常采用固-液接觸角（潤濕角）來間接測量。同時也有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)親水性的表面更有利于細胞的黏附、細胞的分化、細胞的礦物化。毛細作用是一種液體可以通過狹窄空間并反抗外力（如重力）而實現(xiàn)反向流動的能力。毛細能力對支架的細胞黏附和細胞的自我播種也具有非常重要的能力。

SP3、SP5 樣品在SLM沉積態(tài)、拋光和噴砂三種不同狀態(tài)下的SEM照片

在這里，Ti6Al4V微孔結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計并通過SLM設(shè)備進行了制造，其目的是為了獲得適宜的彈性模量、孔隙率、表面粗糙度、潤濕性以及毛細能力的綜合性能的植入物。

SP4樣品在沉積態(tài)時的親水效果

sp5樣品在（a）拋光狀態(tài)下和（b）噴砂狀態(tài)下的親水實驗結(jié)果

毛細實驗的時間跨度及其相應(yīng)地高度結(jié)果

SLM中制造的Ti6Al4V 微孔髖關(guān)節(jié)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