増材制造技术在医学领域的应用问题及带来的新设计理念

传统植入体的制造方法通常为铸造、锻造和机床加工,在批量化生产方面具有很大优势，但制造完成的植入体在使用过程中通常出现匹配性低，继而引起植入体易松动、病人不适应等，甚至会导致手术失败。增材制造技术出现后可满足设计及制造，推动了个性化植入体的设计，促进了个性化植入体的应用。

在植入体设计方面，传统的设计方法很多,但大多是建立在CT扫描、逆向切骨重建、在三维软件中进行正向设计等流程。在病人急需手术的情况下，对上述设计的改进显得迫切。另外，根据植入之后的生物相容性和现行植入体易松动的缺点所设计的个性化多孔植入体，存在设计及制造的困难,过去多采用烧结的方法制备。但采用烧结的方法制备个性化多孔植入体，又存在很多不确定性，多孔结构参数很难控制。

钴铬合金熔结珍珠面髋臼杯

钛喷涂面髋臼杯

早期临床上常用的钛板颅骨修复体，由于钛板等实心金属材料的强度和弹性模量都冥想高于颅骨，所以逐渐被钛网等材料取代，但是钛网的强度和硬度要低于颅骨，收到冲击时容易产生塑性变形，从而引起翘曲和褶皱，且钛网的边缘锋利容易刺破皮肤和颅内组织。

上述金属多孔植入体在临床上得到了应用，但他们也存在一定的缺陷：如孔隙率低、弹性模量高（低）、受多孔结构制备方法的限制，植入体和宿主骨之间不易形成生物学结合导致植入体松动。

目前逐步成熟的金属增材制造技术为金属多孔结构或材料的制造和制备提供了一个较好的解决方案。通过控制多空单元的结构可以对其生物学和力学属性进行定制，然后采用金属增材制造的方法对多孔结构进行精确制造。

采用增材制造手段制造多孔植入体主要有SLM和EBSM两种工艺。

SLM技术能够直接由三维实体模型制成最终的金属多孔植入体。目前可使用的材料包括钴铬合金、钛合金和不锈钢等。由于激光聚焦后具有极细小的光斑，成型后的零件尺寸精度小于0.1mm，不锈钢和钴铬合金零件的相对密度能达到99%以上。SLM工艺适合加工形状复杂的零件，适合小批量生产。

EBSM技术可成型多种金属材料，由于具有真空保护，电子束能量利用率高及成型残余应力小等特点，该技术适用于成型稀有难熔金属及脆性材料。目前可对生物医用金属材料如钴铬合金、钛合金和不锈钢等精确成型。EBSM成型零件速度比SLM块，但精度不如SLM。

SLM和EBSM两种方法在金属植入体的制造方面有明显的优势。在金属增材制造技术中，SLM技术具有成型精度高、可以制造任意复杂结构零件的特点，在生物医用个性化零件制造领域有较大的应用前景。较之传统工艺有两大优势，首先，它可以非常真实的根据病人CT数据把骨头重建出来，其内部细微结构可以完全模仿骨骼的结构；其次，它可以通过细胞在材料表面附着机理的研究进行细胞表面工程化，从而控制表面孔隙率、孔隙流向、结构等。

本文参考《面向植入体的多孔结构建模及激光选区熔化直接制造研究》。