3D打印鈦及鈦合金在頜骨修復領域的介紹

1.個性化設計和制作金屬

3D打印技術包括選擇性激光燒結，選擇性激光熔化和選擇性電子束熔化，是以電子束或者激光為能量源，通過計算機將零件的三維實體模型通過計算機分層處理，轉變?yōu)槎S數(shù)據(jù)，然后通過3D打印設備，金屬粉末逐層熔融、堆積，完成實體制造具有高精度、高效率、低消耗的優(yōu)勢。依據(jù)CT等影像數(shù)據(jù)和計算機輔助設計軟件可以設計出與患者頜骨結構和外形相一致的修復體，還可以設計多孔/網(wǎng)狀等復雜的結構，通過金屬3D打印技術實現(xiàn)這些復雜修復體的制作，可以幫助我們實現(xiàn)頜骨的個性化修復。已有研究設計并采用SLM制作中空的純鈦下頜骨髁突，該髁突不僅質量輕，而且完全重塑了髁突的解剖外形，與患者的顳下頜關節(jié)相匹配。

Chen等設計和應用SLM制作了2種上頜切牙種植體，一種為根形種植體，另一種為根形螺紋種植體，結果證實3D打印能夠設計和制作具有高密度、高強度和高精度的根形種植體，根形螺紋種植體具有更好的應力分布，較低的微動和較好的初期穩(wěn)定性。多孔或三維網(wǎng)狀等復雜精細的結構可以降低鈦及鈦合金修復體的質量，還為細胞和血管的長入、營養(yǎng)物質的輸送提供空間。但是，頜骨外形為不規(guī)則的曲面，三維網(wǎng)狀結構的設計并不容易，尤其是復雜網(wǎng)狀結構拓撲優(yōu)化設計更是難點。初期下頜骨三維網(wǎng)狀組織工程支架建模研究顯示將3D打印技術與有限元拓撲優(yōu)化相結合，能夠獲得理想的下頜骨網(wǎng)狀支架結構。

2.打印鈦及鈦合金的機械性能

作為骨組織修復體，鈦及鈦合金的機械性能與其植入體內后的穩(wěn)定性、安全性與成骨能力密切相關。3D打印技術的工藝與金屬傳統(tǒng)方法如鑄造、鍛造、粉末冶金等不同，不同的制作工藝會影響鈦及鈦合金的組織結構，從而影響其機械性能。研究報道鍛造鈦合金的顯微組織結構主要是粗大的、板狀或針狀α相間雜部分β相，鑄造鈦合金為α造鈦相，SLM鈦合金為α’馬氏體混合α相，EBM鈦合金是均一的針狀α相，在晶界處有少量β相。SLS制作鈦金屬的楊氏模量為104GPa左右，接近鍛造鈦金屬。SLM制作的Ti-6Al-4V的極限拉伸強度和屈服應力于鍛造相似，優(yōu)于EBM。EBM的延展性優(yōu)于鍛造、SLM和鑄造，SLM的延展性較差。EBM的硬度高于SLM和鍛造鈦合金，而SLM和鍛造鈦合金的硬度相似。作為頜骨組織修復體，疲勞強度是鈦合金修復體的一個重要性能。Joshi等報道垂直取向的EBM鈦合金的疲勞強度高于水平取向的鈦合金。經(jīng)過熱等靜壓處理后，EBM制備的鈦合金的疲勞強度明顯提高，具有和鍛造鈦合金相似的疲勞強度性能。

3D打印制備的多孔鈦合金的剛度和抗壓強度隨著孔隙率的增加而降低。EBM制備的孔隙率為61.5%的Ti6Al4V植入體，其抗壓強度為172MPa，彈性模量為3.1GPa，近似人骨組織。通過檢測3D打印三維網(wǎng)狀鈦合金支架的力學性能，證實三維網(wǎng)狀結構單元經(jīng)過優(yōu)化設計后的網(wǎng)狀鈦合金支架的生物力學性能可以滿足下頜骨修復的需求。但是，孔隙結構同樣會影響鈦合金的疲勞強度，有研究報道SLM制作多孔鈦合金的疲勞極限低于實心鈦合金?？紫堵什煌拟伜辖?，其抗疲勞強度也不同，但是，在低應力作用下，多孔鈦合金的抗疲勞強度相似。因此，應該依據(jù)鈦及鈦合金修復體應用部位的力學要求，經(jīng)過力學分析來設計應力分布更合理的修復體，通過3D打印技術來調整其機械性能，使其與骨組織相匹配，保證修復體在體內能夠穩(wěn)定的行使功能，目前，這方面的研究還很少。

總的來說，3D打印技術制備的鈦及鈦合金的機械性能與鍛造鈦合金相似，仍高于骨組織。多孔或網(wǎng)狀結構的設計可以降低鈦及鈦合金的機械性能，調整多孔或者三維網(wǎng)狀結構參數(shù)可以精確調控鈦合金的機械強度，使其與骨組織更匹配。但是，粉末冶金、發(fā)泡法、纖維燒結等多孔金屬方法無法實現(xiàn)此類設計的精確制作，而金屬3D打印技術可以按照設計精確制作出孔隙完全相互貫通的復雜的多孔或三維網(wǎng)狀結構。