Himed研究證實(shí)3D打印鈦植入物中后處理的重要性

對于 3D 打印的鈦和鈦合金醫(yī)療植入物，表面優(yōu)化不僅僅是一種增強(qiáng)，而且是絕對必要的。Himed是一家生物陶瓷涂層和 3D 打印生物陶瓷材料專家（也是Lithoz 在生物陶瓷 3D 打印方面的合作伙伴），公司已經(jīng)證明精心設(shè)計(jì)的表面形貌對于成功的骨整合至關(guān)重要，可使新骨牢固地錨定在植入物上。特別是，通過Himed公司的專有 MATRIX MCD 技術(shù)進(jìn)行磷灰石噴砂后處理，能夠?qū)崿F(xiàn)骨科鈦植入物的卓越服役性能。

科學(xué)研究證實(shí)，優(yōu)化的表面紋理可改善骨粘附性并促進(jìn)更強(qiáng)的組織整合。無論是通過減材加工還是增材制造，后處理對于消除表面不規(guī)則性和提高生物相容性都至關(guān)重要。

對于 3D 打印植入物，后處理在去除殘留鈦顆粒（增材制造過程中產(chǎn)生的微小副產(chǎn)品）方面起著至關(guān)重要的作用。如果不加以處理，這些微粒將帶來重大風(fēng)險(xiǎn)，可能在滅菌、包裝甚至植入后脫落，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的并發(fā)癥。

△增加增材制造的 Ti64 脊柱間隔器的 SEM 放大倍數(shù)表明殘留珠子之間存在尺度差異。所有圖片均歸 Himed, LLC 所有

3D 打印鈦植入物中的殘留顆粒

高分辨率成像，尤其是掃描電子顯微鏡 (SEM) 揭示，鈦顆粒經(jīng)常嵌入 3D 打印的 Ti64 脊柱間隔器的復(fù)雜表面和腔體中。這些殘留顆粒需要精確去除，以防止?jié)撛诘呐R床風(fēng)險(xiǎn)。此外，與構(gòu)建平臺的接觸點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致表面不規(guī)則，因此必須進(jìn)行修整，以確保光滑一致的紋理。

雖然鈦本身具有生物相容性，但脫落的鈦碎片的長期生理影響仍不確定。為了保持醫(yī)療植入物的結(jié)構(gòu)和生物完整性，后處理必須有效消除這些殘留顆粒，同時(shí)防止引入新的污染物。在各種后處理技術(shù)中，只有一種方法能夠始終如一地實(shí)現(xiàn)完全凈化，而不會(huì)損害鈦基材。

常見的后處理技術(shù)

氧化鋁 (Al₃) 噴砂以氧化鋁 (礬土) 為基礎(chǔ)，其莫氏硬度為 9，由于其硬度極高，是一種廣泛使用的磨料。它能有效去除殘留的鈦珠，細(xì)化植入物的表面。然而，由于其易碎的特性，氧化鋁碎片在撞擊時(shí)會(huì)將微小顆粒嵌入較軟的鈦表面。這些內(nèi)含物非常成問題，因?yàn)榧词菇?jīng)過酸處理，它們?nèi)詴?huì)滯留在金屬中，幾乎不可能完全去除。

△3D 打印的 Ti64 脊柱間隔器在用氧化鋁砂粒噴砂后的 SEM 圖像。請注意整個(gè)表面上的深色區(qū)域 - 這些區(qū)域代表在應(yīng)用過程中嵌入 Ti 表面的磨料。所有圖片均歸 Himed, LLC 所有

研究表明，氧化鋁污染會(huì)改變植入物的元素組成，植入后嵌入的顆粒可能會(huì)脫落，從而引起生物相容性問題。SEM 成像證實(shí)了鈦表面深處嵌入了氧化鋁顆粒。同時(shí)，能量色散 X 射線光譜 (EDX) 進(jìn)一步驗(yàn)證了鋁污染的持久性，限制了這種方法用于醫(yī)療植入物后處理的可靠性。

玻璃珠噴砂可減少鋁顆粒污染，從而成為氧化鋁的替代品。玻璃珠的莫氏硬度為 5.5，具有足夠的侵蝕性，可以去除表面不一致性，同時(shí)比氧化鋁更溫和。然而，與氧化鋁一樣，玻璃珠在撞擊時(shí)容易破裂，從而在鈦表面內(nèi)留下微小的含硅殘留物。

雖然這種技術(shù)減少了與鋁有關(guān)的污染，但它帶來了另一個(gè)問題——硅碎片。EDX 分析表明，硅殘留物在處理后仍然存在，這意味著這種方法不能確保鈦表面完好無損。這些殘留顆粒會(huì)影響植入物的長期機(jī)械穩(wěn)定性和整體生物相容性。

最終的后期處理選擇

Himed 稱，磷灰石噴砂是一種先進(jìn)的后處理技術(shù)。公司專有的 MATRIX MCD 技術(shù)在功效和安全性方面超越了傳統(tǒng)的后處理方法。這種方法采用由羥基磷灰石和磷酸三鈣組成的磷酸鈣基磨料介質(zhì)，這兩種物質(zhì)天然存在于骨骼成分中。與氧化鋁和玻璃珠噴砂不同，磷灰石磨料完全可溶，在 ASTM F86 鈍化后完全溶解，不會(huì)留下任何外來污染物。

MATRIX MCD方法確保鈦表面不會(huì)嵌入任何殘留顆粒，從而提供無與倫比的生物相容性。由此產(chǎn)生的微地形增強(qiáng)了骨整合，為細(xì)胞粘附和骨生長提供了最佳結(jié)構(gòu)。由于磷灰石磨料具有各種顆粒尺寸，因此可以對復(fù)雜的植入物幾何形狀進(jìn)行高精度細(xì)化。此外，這一過程保持了植入物的結(jié)構(gòu)完整性，保持了對機(jī)械可靠性至關(guān)重要的嚴(yán)格尺寸公差。

△SEM 序列展示了 MATRIX MCD 應(yīng)用 <53μm 磷灰石磨料的后鈍化結(jié)果。顆粒大小會(huì)影響精煉表面的相對光滑度，較大的MCD（425–180μm）會(huì)產(chǎn)生較粗糙的表面形貌。所有圖片均歸 Himed, LLC 所有

磷灰石噴砂的莫氏硬度等級為 5，可實(shí)現(xiàn)受控且均勻的表面細(xì)化，根據(jù)加工參數(shù)可實(shí)現(xiàn) 1.0μm 至 3.2μm 之間的表面粗糙度 (Ra)。與氧化鋁和玻璃珠噴砂不同，噴砂技術(shù)可確保鈍化后的絕對鈦純度，使其成為 3D 打印鈦植入物后處理的最佳選擇。

SEM 分析證實(shí)，使用 Himed 的 MATRIX MCD 磷灰石噴砂處理過的植入物呈現(xiàn)出完全紋理且無污染的鈦表面。與其他后處理技術(shù)不同，這種方法可以去除嵌入的顆粒，確保最高的純度。經(jīng)過數(shù)十年的改進(jìn)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)完善，可以滿足骨科和牙科植入物制造所需的嚴(yán)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

對于醫(yī)療植入物，表面的成分和紋理直接影響安全性和臨床性能。雖然氧化鋁和玻璃珠噴砂會(huì)引入可能損害植入物完整性的異物殘留物，但磷灰石噴砂可提供生物相容性、無殘留物的解決方案。隨著 3D 打印鈦植入物領(lǐng)域的不斷發(fā)展，選擇最佳的后處理方法仍然是確保其壽命和臨床成功的關(guān)鍵因素。