在骨科植入耗材市場快速發展的大趨勢下，3D打印骨科植入物的商業(ye) 化也進入了加速跑狀態。創新驅動型的骨科植入物製造商，通過創新驅動的研發在骨科植入物細分領域中打造自身的競爭(zheng) 壁壘。而3D打印技術正是骨科植入物創新的驅動力之一，深耕增材製造應用的企業(ye) 已建立起競爭(zheng) 優(you) 勢。

在骨科植入物這個(ge) 領域，有不同的材料可以選擇。根據3D科學穀的市場研究，當前代表性的材料包括金屬、陶瓷、PEEK等。

本期，3D科學穀將與(yu) 穀友一起就骨科領域的金屬生物材料的分類及發展現狀進行深入的了解。

▲3D打印金屬生物材料

3D科學穀

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/ 鈦合金

鈦合金的生物相容性、高比強度、高耐腐蝕性、重量輕、3D打印過程中熔合缺陷較少；與(yu) 其他一些合金（例如 Co-Cr）相比硬度和摩擦學性能較差，應力屏蔽問題（可以通過定義(yi) 孔隙率來改善）；可應用於(yu) 許多金屬植入物，如關(guan) 節、顱骨、牙科植入物等。

▲3D打印金屬生物材料-鈦合金

3D科學穀

▲3D打印椎間融合器

3D科學穀

根據3D科學穀的市場觀察，鈦合金骨科植入物方麵的最新進展包括如下：

史賽克（Stryker）開發了專(zhuan) 有的 AMagine 增材製造技術，其多款植入物產(chan) 品中都安裝了通過該技術生產(chan) 的3D打印部件，例如：在全膝關(guan) 節植入物Triathlon Tritanium 中，創新性的脛骨基板和金屬背髕骨組件均是通過AMagine增材製造技術和SOMA設計的。

▲史賽克非骨水泥膝關(guan) 節假體(ti) 中的3D打印基板

根據史賽克，Triathlon Tritanium 基板是Triathlon 非骨水泥型膝關(guan) 節產(chan) 品組合的最新技術演變。它提供高度多孔的金屬生物固定物，可為(wei) 外科醫生和醫院提供高性能和高效的結果。

施樂(le) 輝( Smith+Nephew )宣布推出非骨水泥型3D打印全膝關(guan) 節係統LEGION CONCELOC。

施樂(le) 輝LEGION CONCELOC3D打印全膝關(guan) 節係統

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ConCELOC 先進多孔鈦是一項獲得專(zhuan) 利的專(zhuan) 有 3D 打印多孔結構技術，首次用於(yu) 施樂(le) 輝2016 年推出的領先 REDAPTRevision Hip System。ConCELOC 在虛擬環境中創建，並通過 3D 打印增材製造來優(you) 化其多孔結構促進骨長入的結構。

2021年9月30日，由四川大學華西醫院周宗科教授牽頭主研，嘉思特華劍醫療器材（天津）有限公司設計製造的3D打印分區骨小梁生物型膝關(guan) 節假體(ti) 在四川大學華西醫院成功植入。該植入物在術中無需使用骨水泥，通過機械固定，即假體(ti) 與(yu) 骨組織的緊密結合，獲得假體(ti) 的初始穩定性，遠期骨組織長入假體(ti) 表麵的微孔內(nei) 部，實現由機械固定向生物內(nei) 鎖固定的轉化，最終經過骨整合作用獲得良好固定，預期能夠獲得更長的假體(ti) 壽命。

臨(lin) 床方麵，2020年1月7日，上海九院骨科郝永強教授團隊利用3D打印技術，為(wei) 患者樊女士成功實施了右肘腫瘤精準切除和植入了為(wei) 她“量身定製”的3D打印肘部（肱骨遠端）個(ge) 性化重建假體(ti) 的手術。“私人定製”的鈦合金人工假體(ti) 幫患者如願地保住了完整右上肢，且肘關(guan) 節功能大為(wei) 改善。此台手術不僅(jin) 是1月1日施行《定製式醫療器械監督管理規定（試行）》後完成的第一台定製式醫療器械植入手術，據悉，此前郝永強教授團隊在戴尅戎院士帶領下已為(wei) 近200名患者實施了3D打印個(ge) 性化假體(ti) 重建手術。

不過即使是最先進的鈦植入物，其使用壽命也很有限，植入物會(hui) 失去與(yu) 骨骼的附著力，從(cong) 而導致疼痛並限製患者的活動能力。

3D打印植入物多孔表麵的模量低於(yu) 常規植入物，所以金屬植材料和骨骼之間的剛度差異會(hui) 減小，這使得植入物與(yu) 骨骼之間能夠更好的“貼合”，並實現有效的骨整合。

應力屏蔽是指當兩(liang) 種模量不同的材料放在一起使用時，模量大的材料承擔更大的應力。以常見的植入物製造材料鈦合金為(wei) 例，當該材料被移植入體(ti) 內(nei) ，由於(yu) 鈦合金的模量遠大於(yu) 人體(ti) 骨骼的模量，所以鈦合金承擔更多的應力作用，這將不利於(yu) 新骨的生長。

製造商在不斷探索出各種策略來延長植入物的壽命，包括使用不同的材料，尤其是具有模仿骨骼特性，表麵功能化的材料，以及輸送活性劑以促進骨骼生長和抵禦感染的材料。因此，理想的植入物需要具有多種功能才能持續一生。

/ 鈷鉻合金

鈷鉻合金是另一種仍然需要用於(yu) 植入物的“主力”合金，特別是用於(yu) 股骨膝關(guan) 節部件和雙活動髖關(guan) 節杯，目前臨(lin) 床上仍然沒有其他材料可以反映其特性。不過雖然鈷鉻合金和 Ti64 都非常適合通過L-PBF和EBM工藝來加工，但並非所有患者都適合鈷鉻合金植入物。

根據3D科學穀的市場研究，鈷鉻合金具有高的生物相容、高硬度、耐磨和耐腐蝕。不過大多數 Co-Cr 合金都包含會(hui) 引起過敏反應的 Ni，主要作為(wei) 短期植入物、牙科替代物和過度使用的植入物，例如髖關(guan) 節和膝關(guan) 節替代品。

最近的發展方麵，根據3D科學穀的了解，國際上SLM Solutions 針對髖臼杯、椎間融合器這兩(liang) 種3D打印植入物重點量產(chan) 領域，開展了研究與(yu) 應用積累。例如，針對髖臼杯增材製造開發了60微米的成熟3D打印工藝參數，並可以實現髖臼杯內(nei) 部無支撐打印，減少了後處理的工作量。

▲鈷鉻合金膝關(guan) 節3D打印植入物。來源：SLM Solutions

在膝關(guan) 節應用領域，SLM Solutions在30微米成熟工藝的基礎上，不斷開發鈷鉻合金60微米參數工藝。

/鉭合金

根據3D科學穀的了解，鉭合金具有良好的生物相容性、高耐腐蝕性、高強度和彈性模量。不過在增材製造方麵，具有一定程度的挑戰，包括高成本和密度、應力屏蔽問題（與(yu) Ti 相比具有更高的彈性模量。總體(ti) 來說，鉭合金適合用作小型植入物部件、多孔植入物、用於(yu) 增強骨整合特性的植入物塗層。

3D打印多孔鉭金屬已在脊柱、髖關(guan) 節和肢體(ti) 靜脈曲張手術中進行了臨(lin) 床應用，並取得了良好的臨(lin) 床療效。3D打印多孔鉭金屬不但能實現仿生骨小梁結構的設計和製造，還具有良好的細胞黏附性和生物相容性。同時，這種材料的彈性模量和強度適合局部環境。臨(lin) 床實驗結果表明，3D打印多孔鉭金屬能與(yu) 骨骼緊密結合，術後功能恢複的效果令人滿意。實驗結果和臨(lin) 床結果均證實3D打印能精確控製尺寸，並具有良好的療效。

在臨(lin) 床方麵，根據3D科學穀的市場觀察，2021年7月，在陝西省重大智能製造專(zhuan) 項的支持下，空軍(jun) 軍(jun) 醫大學西京醫院骨科首次將鉭金屬3D打印的長節段人工椎體(ti) ，運用於(yu) 脊柱惡性腫瘤整塊切除後的缺損重建。

▲鉭金屬3D打印椎體(ti) 外觀圖

在國產(chan) 高精度電子束3D打印裝備上，解決(jue) 了高熔點鉭金屬精準熔化的難題，快速高效打印出個(ge) 體(ti) 化鉭金屬假體(ti) ，為(wei) 骨缺損增材製造中的異形性、骨長入和力學問題提供了解決(jue) 方法。相信在不久的將來，個(ge) 體(ti) 化和組配式鉭金屬3D打印假體(ti) 能夠在經濟和普適性方麵得以大幅提高，在為(wei) 廣大患者解決(jue) 病痛的同時，為(wei) 骨科硬組織修複重建貢獻解決(jue) 方案。

/ 不鏽鋼

另一種正在使用的植入材料是用於(yu) 骨板（以及手術工具）的不鏽鋼。然而，雖然可以使用 EBM 創建這些植入物，但需要執行額外的表麵處理步驟以獲得合適的產(chan) 品。因此，目前不鏽鋼通常通過選區金屬激光熔化金屬3D打印技術來加工。

根據3D科學穀的了解，不鏽鋼材料具有可接受的生物相容性、高拉伸強度和彈性模量、低製造成本、可用性、韌性、更高的熱導率，因此與(yu) 鈦合金相比，表麵光潔度更好。不過由於(yu) 由於(yu) 長期降解和合金元素的釋放，潛在的炎症反應。Fe 的釋放會(hui) 對細胞產(chan) 生不利影響，不鏽鋼主要用於(yu) 短期植入物和螺釘以及手術工具。以及作為(wei) 牙科和整形外科植入物以及手術器械的應用。

/ 鎂合金

鎂及其合金被譽為(wei) 革命性的金屬生物材料，受到了廣泛研究和臨(lin) 床探索。根據3D科學穀的市場研究，鎂基合金具有可接受的生物相容性、高拉伸強度和彈性模量、低製造成本、可用性、韌性、更高的熱導率，因此與(yu) 鈦合金相比，表麵光潔度更好。不過鎂基合金由於(yu) 長期降解和合金元素的釋放，潛在的炎症反應。Fe 的釋放會(hui) 對細胞產(chan) 生不利影響，鎂基合金主要用於(yu) 短期植入物和螺釘以及手術工具，以及作為(wei) 牙科和整形外科植入物以及手術器械的應用。

在科研進展方麵，《自然》於(yu) 2017年首次發表的超納米雙相鎂合金是一種具有極強顆粒崩解性且能生物降解的金屬；它的應用不僅(jin) 推進了3D打印的發展，而且開啟了4D打印的機遇之門。

不過鎂合金的增材製造加工過程中充滿挑戰，鎂合金在3D打印過程會(hui) 產(chan) 生嚴(yan) 重的粉體(ti) 飛濺，這是由於(yu) 鎂合金蒸發溫度低且蒸汽壓高，這種現象與(yu) 鋼、鈦或鋁合金的AM過程有很大的區別。粉體(ti) 飛濺會(hui) 顯著降低鎂合金增材製造過程的穩定性，因為(wei) 一些鎂粉會(hui) 沿掃描路徑被蒸汽移除，在隨後的掃描道次中則很可能在此處產(chan) 生缺陷，因此在鎂合金AM過程中必須采取補充粉體(ti) 的策略。

SLM製備鎂合金的主要目標是得到高的致密度以及避免可能的缺陷，其中最常用的方式是調整過程相關(guan) 參數（即激光功率、掃描速度、掃描線寬等）。通過提高激光掃描速度或降低激光功率可以降低粉體(ti) 飛濺；此外，鎂合金的化學成分也應根據其不同的裂紋敏感性進行適當的甄選。同時還應提高3D打印時基板的初始溫度，以縮小基板與(yu) 金屬粉末之間的溫度梯度，從(cong) 而進一步避免熱裂紋的形成。

除了通過SLM基於(yu) 粉末床的金屬3D打印技術，科研機構在探索通過粘結劑噴射3D打印技術製造多孔鎂基植入物的耐腐蝕性。延伸閱讀請參考3D科學穀發布的《專(zhuan) 欄 l 粘結劑噴射3D打印多孔鎂基植入物的耐腐蝕性研究》。

/ 智能金屬

3D打印的由形狀記憶合金構成的血管支架等智能器械已經進入了研發（R&D）和商業(ye) 化初期階段。

根據3D科學穀的市場了解，智能金屬具有高的生物相容性，在施加外部刺激後恢複原始形狀，接近身體(ti) 轉變溫度，接近骨彈性模量。不過由於(yu) 腐蝕而釋放 Ni 離子可能會(hui) 導致安全問題，可能無法長期精確控製成分， AM 增材製造工藝加工參數設置存在挑戰，以及後處理條件存在挑戰。對於(yu) 確保形狀記憶效應和可打印性是必要的。智能金屬可用於(yu) 心血管支架、正畸和牙套。

參考資料：增材製造可降解鎂合金植入物麵臨(lin) 的挑戰及其對策 /中國工程院院刊《Engineering》2020年第11期