EBM醫(yī)用金屬多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及孔徑測(cè)量方法

張子寬　何偉

摘要：金屬材料具較好的耐腐蝕性能和力學(xué)性能，是最早應(yīng)用于臨床的生物醫(yī)用材料。但是由于金屬的彈性模量過高，使載荷不能很好地由植入體傳遞到相鄰的骨組織，植入物與人體骨骼之間出現(xiàn)“應(yīng)力屏蔽”，造成植入體周圍骨應(yīng)力吸收，致使植入體松動(dòng)脫落。多孔合金的彈性模量和強(qiáng)度比致密體材料低，可以達(dá)到與骨組織相匹配的力學(xué)性能?；诖?，本文主要對(duì)EBM醫(yī)用金屬多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及孔徑測(cè)量方法進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞：EBM（電子束熔融技術(shù)）；3D打?。欢嗫捉Y(jié)構(gòu)；骨長入

前言

EBM技術(shù)是類似于激光成形的一種快速制造技術(shù)，其工藝過程是先確定零件的三維CAD模型，然后按照一定的厚度進(jìn)行分層切片處理而將零件的三維形狀數(shù)據(jù)離散成一系列二維數(shù)據(jù)，再將所得模型導(dǎo)入成形設(shè)備中，利用電子束在程序控制下根據(jù)模型提供的信息進(jìn)行有選擇的熔化燒結(jié)，通過逐層堆積，直至整個(gè)零件完成。

1、 制備醫(yī)用金屬多孔結(jié)構(gòu)的快速成形技術(shù)概述

目前，制備金屬多孔材料的方法主要包括粉末冶金法、發(fā)泡法、纖維燒結(jié)法和等離子噴涂法等，但這些方法均存在不能靈活控制孔結(jié)構(gòu)，無法保證孔隙間的導(dǎo)通性以及無法較好地模擬與人體骨組織結(jié)構(gòu)相似的孔隙結(jié)構(gòu)特征等問題。 快速成形技術(shù)是基于離散堆積成形原理，由零件數(shù)字模型（ CAD 模型）直接驅(qū)動(dòng)，可完成仼意復(fù)雜形狀三維實(shí)體零件的形成的技術(shù)總稱，其具有快速性、準(zhǔn)確性及擅長制作復(fù)雜形狀實(shí)體的特性，且可以對(duì)孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，是較為理想的多孔材料制備方法 。

金屬快速成形技術(shù)主要包括激光熔化沉積技術(shù)（LMD）、電子束熔絲成形技術(shù)（EBF）、激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）、電子束選區(qū)熔化技術(shù)（ EBM），其中激光熔化沉積技術(shù)（ LMD）、電子束熔絲成形技術(shù)（ EBF）具有成形尺寸大、成形速度快的優(yōu)勢(shì)，但相對(duì)精度較差，不適合制備尺寸小、精度要求高且同時(shí)具有類骨小梁微孔結(jié)構(gòu)的醫(yī)療金屬多孔結(jié)構(gòu)，而激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）、電子束選區(qū)熔化技術(shù)（ EBM） 均采用粉床選區(qū)熔化的工作原理，最大成形尺寸雖然較小，但精度高可成形微孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)與激光選區(qū)熔化技術(shù)相比，電子束選區(qū)熔化技術(shù)具有功率大、能量利用率高、對(duì)焦方便、可加工材料廣泛和加工效率高等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)電子束快速成形過程中有真空保護(hù)，可以防止合金氧化，樣品中內(nèi)應(yīng)力小，更適合于制備金屬多孔材料。

2、醫(yī)用金屬多孔結(jié)構(gòu)及其模型創(chuàng)建方法

快速成形制備醫(yī)療植入假體多孔結(jié)構(gòu)的目標(biāo)為人體自身骨小梁結(jié)構(gòu)，如圖1所示，骨小梁是皮質(zhì)骨在松質(zhì)骨內(nèi)的延生部分，即骨小梁與皮質(zhì)骨相連接，在骨髓腔中呈不規(guī)則立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，絲瓜絡(luò)樣或海綿泡沫狀，起支撐造血組織的作用。采用快速成形技術(shù)制備的金屬類骨小梁結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與人體骨小梁結(jié)構(gòu)類似程度主要取決于三維模型設(shè)計(jì)，考慮到多孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可控性及成形工藝，目前三維模型創(chuàng)建類骨小梁結(jié)構(gòu)多采用有序多孔結(jié)構(gòu)，其模型的創(chuàng)建過程如下。

依據(jù)對(duì)目標(biāo)多孔結(jié)構(gòu)孔隙率、孔徑的要求，創(chuàng)建滿足要求的基礎(chǔ)多孔單元胞即多孔結(jié)構(gòu)晶胞，如圖2（a）所示，可以是任意規(guī)則多面體，然后按照晶胞在三維空間內(nèi)與相鄰各個(gè)晶胞面面重合的要求進(jìn)行陣列，形成多孔結(jié)構(gòu)陣列體，如圖2（b）所示，最后對(duì)該陣列體進(jìn)行切割或借助實(shí)體模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，創(chuàng)建出滿足外形輪廓、性能指標(biāo)的有序多孔結(jié)構(gòu)，如圖2（c）所示，該方法創(chuàng)建的有序多孔結(jié)構(gòu)具有孔隙率、孔結(jié)構(gòu)精確可控的優(yōu)點(diǎn)。創(chuàng)建完成后導(dǎo)出STL格式模型，借助專業(yè)軟件進(jìn)行切層、路徑規(guī)劃后生成ABF文件，即可導(dǎo)入例如EBM技術(shù)的快速成形設(shè)備中打印出金屬類骨小梁多孔結(jié)構(gòu)假體。

3、快速成形技術(shù)制備的醫(yī)用金屬多孔結(jié)構(gòu)孔徑尺寸的測(cè)量方法

目前快速成形制備的醫(yī)用金屬多孔結(jié)構(gòu)具有最小單元一致、多孔有序尺寸規(guī)格一致、且多孔結(jié)構(gòu)多與致密材料復(fù)合的特點(diǎn)，筆者提出的測(cè)量方法可以規(guī)避常規(guī)檢測(cè)方法缺點(diǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多孔結(jié)構(gòu)孔徑的精確測(cè)量，為后續(xù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持，該方法具體步驟如下。

3.1確認(rèn)孔結(jié)構(gòu)類型及孔徑換算系數(shù)

如上文所述，目前采用快速成形技術(shù)制備的醫(yī)用金屬多孔結(jié)構(gòu)均為最小晶胞（如圖2（a）所示）空間陣列后，根據(jù)最終需求的多孔結(jié)構(gòu)形狀對(duì)多孔結(jié)構(gòu)陣列體進(jìn)行布爾運(yùn)算得來，不同晶胞結(jié)構(gòu)陣列、切割后形成的多孔結(jié)構(gòu)，其孔徑形狀、空間位置關(guān)系均不同；以正十二面體為例，如圖3所示，該種晶胞形成的多孔結(jié)構(gòu)孔形狀為正四邊菱形，如圖3（a）中1～4所示，其晶胞整體外形為正六面體并以正六面體為基礎(chǔ)進(jìn)行陣列，當(dāng)沿著正六面體任意一面進(jìn)行觀察后，如圖3（b）所示，可見的孔包括1～4小孔及由1～4小孔外輪廓組成的“大孔”，此時(shí)可根據(jù)晶胞三維立體圖確認(rèn)該多孔結(jié)構(gòu)真正的待檢測(cè)孔應(yīng)為1～4的小孔而非及1～4小孔外輪廓組成的“大孔”。其它類型的晶胞結(jié)構(gòu)在孔結(jié)構(gòu)類型及孔位置關(guān)系確認(rèn)方法如上。

3.2垂直視角測(cè)量并換算多孔結(jié)構(gòu)孔徑

選擇多孔結(jié)構(gòu)任意一平面作為觀察面進(jìn)行電鏡掃描，放大倍數(shù)根據(jù)具體孔徑設(shè)計(jì)尺寸而定進(jìn)行觀察；若多孔結(jié)構(gòu)表面為圓弧面或不規(guī)則形狀，則需在快速成形過程中制備具有規(guī)則平面的試樣，方便后期孔徑觀察測(cè)量。

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