增材製造多孔生物鈦合金植入材料:機械、物理和拓撲的優化組合

2020-12-19 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：摘要：骨科植入物的技術正處在不斷進步的過程中，用於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反應主要取決於機械性能、身體上的和拓撲性質的綜合結果。因此， Ti6Al4V微孔結構成為解決和提高傳統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計SLM製造Ti6Al4V微孔結構的解決措施。通過三點彎曲來評估製備出來的微孔結構的彈性模量。形貌分析結果用來評估CAD設計尺寸和SLM實際製造尺寸之間的差異。有限元分析（調整後的CAD）用實驗得到的尺寸數據來精確地複製SLM製造的結構的性質。同建立 了設計的CAD模型為函數的測量SLM尺寸相關聯的線性回歸方程。這個回歸方程通過測量實際的孔隙率同設計的CAD尺寸之間的關係來獲得。測量得到的數據可以進一步的用來作為FE分析和設計的參考，從而進一步的幫助工程設計人員來製造近淨成形的SLM製造的微孔Ti6Al4V結構。此外，拋光和噴砂後的 Ti6Al4V微孔結構表面可以獲得適宜的性能，同獲得的原始製造表面相比，無論是表面粗糙度和潤溼性。

毛細試驗 表明所有分析的 Ti6Al4V微孔結構均能沿其表面結構進行傳輸液體。 細胞活力試驗結構則顯示SLM製造的Ti6Al4V微孔結構並不會釋放出有毒的物質。這表明這種結構可以確保細胞增殖和附著所具有的適宜的環境。這一研究成果還提出了一種設計 Ti6Al4V微孔結構的設計策略。即既有適宜的機械性能，同時還具有適宜的孔隙率、粗糙度、潤溼性、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。最後，還採取SLM技術製造了Ti6Al4V微孔結構的髖關節植入物原型，同時該植入物所具備的適宜的特徵也一同在SLM製造的過程中獲得。

採用SLM技術進行製造時從CAD到成品的示意圖

研究成果： 提出了SLM製造的實物樣品與CAD結構尺寸之間的線性回歸方程；孔隙率約為65%的Ti6Al4V微孔結構且具有適宜的彈性模量；細胞活力試驗證明SLM結構並不會釋放有毒性的物質；試樣在拋光和噴砂後的表面具有超親水性 ；採用SLM技術製造出Ti6Al4V微孔結構的髖關節植入物 原型。

SLM技術是一種高性能的金屬增材製造技術，該技術選擇性的熔化金屬粉末、一道道的熔化、一層層的依照設計好的CAD模型進行堆積，從而獲得金屬製品。SLM技術具有高度的設計自由的優勢。使用SLM技術，工程設計人員可以設計出複雜形狀和具有個性化特徵的產品，如多孔結構。這是傳統的鑄造、鍛造工藝不可能或很難實現的。

對SLM製造的樣品進行三點彎曲測試的機械系統

SLM製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用於生物領域，尤其是作為骨科植入物。如Ti6Al4V微孔結構具有多功能的特性，可以在一個部件上實現機械性能、物理性能和生物學性能的調製。SLM製造的多孔材料的精度問題是一個比較大的挑戰，這是該技術本身存在CAD設計尺寸同SLM列印尺寸之間存在差異造成的。這種形狀和尺寸上的差異，系統可以探測到。在這一方面，需要預測軟體或在線監測技術來探測兩者之間的差別，從而獲得理想的多孔結構，即物理性能和機械性能均需要滿足要求。有限元模擬技術，平衡於實驗實驗研究，可以作為工程上的一個工具來預測和校正SLM製造上的固有偏差。

SP1結點的FE模擬的網格劃分

植入物和骨的成功的生物學反應取決於植入物的機械性能、拓撲優化結構、物理和化學性能。Ti6Al4V由於具有比強度高、生物相容性好、耐蝕性能好、彈性模量同不鏽鋼和Co基合金相比要低得多，從而廣泛地應用於矯形外科手術中。然而，Ti6Al4V（大約為110GPa）的彈性模量同人體皮質骨相比（10-30GPa）相比仍然較高。這就導致植入材料和周圍的骨頭存在剛度不匹配的問題，從而會在界面產生應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現，一般是在植入手術10-20年之後才會發生，此時需要進行翻修手術。在這裡，Ti6Al4V結構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鈦合金微孔結構的SEM照片

植入材料的拓撲優化直接影響到骨頭的生物學效應。臨床實踐證明，中等表面粗糙度（Ra=2-4μm）會導致早期康復、促進細胞的擴散和組織的融合。同時，也有報導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設計的尺寸和SLM實際列印尺寸之間的比較

植入物的表面能是另外一個重要的表面特徵，同樣對植入物和骨的長合具有十分重要的作用，這一特徵通常採用固-液接觸角（潤溼角）來間接測量。同時也有相關研究發現親水性的表面更有利於細胞的黏附、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並反抗外力（如重力）而實現反向流動的能力。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、拋光和噴砂三種不同狀態下的SEM照片

在這裡，Ti6Al4V微孔結構進行了設計並通過SLM設備進行了製造，其目的是為了獲得適宜的彈性模量、孔隙率、表面粗糙度、潤溼性以及毛細能力的綜合性能的植入物。

SP4樣品在沉積態時的親水效果

sp5樣品在（a）拋光狀態下和（b）噴砂狀態下的親水實驗結果

毛細實驗的時間跨度及其相應的高度結果

SLM中製造的Ti6Al4V 微孔髖關節植入物的原型

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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，

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