粉末床電子束3D打印醫(yī)用金屬材料的研究進(jìn)展*

楊 坤，湯慧萍，李元元

(1.吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130022；2.西北有色金屬研究院 金屬多孔材料國家重點實驗室，西安 710016)

0 引 言

近年來，隨著“精確診療”概念的普及，臨床對骨科植入材料個性化的需求越發(fā)迫切。3D打印技術(shù)擁有極高的加工自由度，對于骨科材料的3D打印，其可以利用CT、MRI等醫(yī)學(xué)影像，通過計算機(jī)重建患者失效骨模型，制造出生物學(xué)性能與力學(xué)性能更與骨匹配的植入物產(chǎn)品，更可以針對每位患者制定獨特的治療方案，實現(xiàn)為骨植入患者“量體裁衣”的產(chǎn)品定制[1-2]。

近10年來，3D打印技術(shù)在骨科植入材料的制備粉末取得了飛速的發(fā)展，技術(shù)發(fā)展逐漸成熟。粉末床電子束3D打印，即電子束選區(qū)熔化(selective electron beam melting,SEBM)技術(shù)，是20世紀(jì)90年代中后期發(fā)展起來的一種粉末床熔融型3D打印技術(shù)。該技術(shù)在真空環(huán)境下成形，具有能量利用率高、掃描速度快、成形應(yīng)力低等突出優(yōu)點，特別適合高活性、高熔點、脆性難加工金屬材料的直接成形，在生物醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

2007年，意大利外科醫(yī)生Guido Grappiolo完成了全球首例SEBM打印的髖關(guān)節(jié)置換術(shù)，這一事件拉開了3D打印技術(shù)在骨科植入領(lǐng)域的應(yīng)用[4]。SEBM技術(shù)制備的Ti-6Al-4V髖臼杯墊塊在2007和2009年分別獲得了歐盟CE和美國FDA的認(rèn)證，我們國家的國家食品藥品監(jiān)督管理總局也在2015年為增材制造技術(shù)制備的Ti-6Al-4V髖臼杯墊塊頒發(fā)了準(zhǔn)入許可。目前，僅SEBM技術(shù)打印的髖臼杯在臨床的應(yīng)用數(shù)量就已經(jīng)超過了10萬例，已經(jīng)有超過100種3D打印的骨科植入物獲得了美國FDA認(rèn)證[3]。因此，SEBM技術(shù)在醫(yī)用領(lǐng)域存在巨大的應(yīng)用潛力。本文將主要介紹SEBM技術(shù)及其近年來在醫(yī)用材料研究上的研究與應(yīng)用進(jìn)展。

1 SEBM技術(shù)與裝備的發(fā)展現(xiàn)狀

SEBM技術(shù)的原理如圖1所示。首先將所設(shè)計零件的三維圖形按一定的厚度切片分層，得到三維零件的所有二維信息；在真空環(huán)境下以電子束為能量源，電子束在電磁偏轉(zhuǎn)線圈的作用下由計算機(jī)控制，根據(jù)零件各層截面的CAD數(shù)據(jù)有選擇地對預(yù)先鋪好在工作臺上的粉末層進(jìn)行掃描熔化，未被熔化的粉末仍呈松散狀，可作為支撐。一層加工完成后，工作臺下降一個層厚的高度，再進(jìn)行下一層鋪粉和熔化，同時新熔化層與前一層熔合為一體。重復(fù)上述過程直到零件加工完后從真空箱中取出，用高壓空氣吹出松散粉末，得到三維零件[5]。

圖1 粉末床電子束3D打印技術(shù)的工藝流程Fig 1 Process of powder bed electron beam 3D printing technology

瑞典Arcam公司是全球最早開展SEBM成形裝備研究和商業(yè)化開發(fā)的機(jī)構(gòu)，2001年Arcam公司在申請了如圖1所示原理的國際專利WO01/81031，并在2002年制備出SEBM技術(shù)的原型機(jī)Beta機(jī)器，2003年推出了全球第一臺真正意義上的商業(yè)化SEBM裝備EBM-S12，隨后又陸續(xù)推出了A1、A2、A2X、A2XX、Q10、Q20等不同型號的SEBM成形裝備。表1列出了Arcam公司歷代SEBM裝備的主要性能參數(shù)。

2016年，Arcam公司被國際工業(yè)巨頭GE公司收購，并于2019年Arcam公司推出了最新一代的SEBM Spectra H型電子束3D打印裝備，其最大功率為6kW，電子束直徑為140 μm，可成形最大尺寸為250 mm×250 mm×430 mm，可將原有的3～4 h的校準(zhǔn)過程減少到15 min，成形效率更高。由表1可以看出，S系列及A系列的電子是由鎢電極發(fā)出，而Q系列及Spectra H系列的電子是由直徑0.75 mm的單晶LaB6電極發(fā)出。相比于鎢電極，單晶LaB6電極的穩(wěn)定性更高。SEBM成形樣品過程中，當(dāng)功率超過1 kW時，由鎢電極產(chǎn)生的電子束的直徑隨著功率的增加而增大。而對于LaB6電極，由于硼原子與鑭原子形成的是一個三度結(jié)構(gòu)，并且硼晶格的穩(wěn)定性很好，因此當(dāng)功率達(dá)到3 kW時，由LaB6電極產(chǎn)生的電子束直徑仍比較穩(wěn)定，有利于聚焦，從而成形更高質(zhì)量樣品。

表1 瑞典Arcam公司開發(fā)的電子束選區(qū)熔化裝備性能參數(shù)Table 1 Main parameters and properties of the SEBM system by Arcam

清華大學(xué)和西北有色金屬研究院金屬多孔材料國家重點實驗室最早在國內(nèi)開展了SEBM設(shè)備的研發(fā)和成形工藝的探索。2013年，西北有色金屬研究院成果轉(zhuǎn)化成立的西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司，并與2015年在國內(nèi)首次推出了滿足科研的S型和滿足醫(yī)療產(chǎn)品的Y型國產(chǎn)商業(yè)化SEBM設(shè)備。

2 SEBM打印骨科植入材料的研究進(jìn)展

骨科植入材料是指能夠植入人體，治療骨骼疾患、替換骨組織，恢復(fù)骨骼的正常生理功能的金屬材料[6]。目前，應(yīng)用于臨床的生物醫(yī)用金屬材料主要包括不銹鋼、鈷基合金、鈦合金、醫(yī)用形狀記憶合金等。本部分內(nèi)容主要對SEBM技術(shù)成形鈦合金、CoCr合金和多孔鉭的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述。

2.1 鈦及鈦合金

鈦及鈦合金密度低，比強(qiáng)度高，耐蝕性能好，生物相容性好等特點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工和醫(yī)療健康領(lǐng)域。對于鈦及鈦合金在醫(yī)療植入上的應(yīng)用，早在1940年，就有學(xué)者報道了鈦植入物與小鼠股骨之間的惰性表現(xiàn)[7]。在現(xiàn)有醫(yī)用鈦合金中，Ti-6Al-4V合金是使用最優(yōu)廣泛(超過醫(yī)用鈦合金總量的50%)，主要用于人工關(guān)節(jié)、接骨板、螺釘以及牙齒等部位。

2.1.1 SEBM制備Ti-6Al-4V合金的微觀組織

SEBM技術(shù)成形Ti-6Al-4V合金的典型組織為沿豎直方向貫穿多個粉層厚度的柱狀原始β晶粒形貌，成形時無擴(kuò)散的馬氏體相變、短程擴(kuò)散的塊狀相變和長程擴(kuò)散型相變均可發(fā)生。沉積態(tài)中微觀組織的演變過程為L(液態(tài))→β→α′+α+β→β→α′+αm+α+β[3]。當(dāng)熔化成形當(dāng)前粉層時，馬氏體相變首先發(fā)生。在隨后的層層沉積過程中，馬氏體組織受循環(huán)熱處理而重新進(jìn)入β相區(qū)，而后可經(jīng)長程擴(kuò)散型相變(包括馬氏體分解)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?β組成的經(jīng)典網(wǎng)籃組織或魏氏組織，或短程擴(kuò)散相變轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀組織，如圖2所示。

圖2 SEBM成形Ti-6Al-4V的典型微觀組織(a)樣品上部的顯微組織；(b)區(qū)域1的SEM圖，虛線區(qū)域即為塊狀相;(c) 圖(a)區(qū)域2的SEM圖Fig 2 Microstructure of Ti-6Al-4V alloy fabricated by SEBM technology

2.1.2 SEBM制備Ti-6Al-4V合金的力學(xué)性能

圖3統(tǒng)計了現(xiàn)有公開報道的SEBM技術(shù)成形Ti-6Al-4V合金的室溫拉伸性能，并與傳統(tǒng)鍛造退火態(tài)數(shù)值進(jìn)行了比較。可以看出，SEBM技術(shù)成形Ti-6Al-4V合金的拉伸性能達(dá)到了鍛件標(biāo)準(zhǔn)，但性能數(shù)據(jù)分散性較大，這主要是受內(nèi)部缺陷、氧含量、組織的不均勻性、成形工藝參數(shù)不同等因素影響。熱等靜壓處理(一般推薦920 ℃，2 h，100 MPa)處理可消除氣孔等缺陷，使延伸率提高，分散性降低，且減少各向異性的影響，但會造成材料強(qiáng)度降低[8]。

表2 SEBM成形Ti-6Al-4V合金的靜態(tài)力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the Ti-6Al-4V alloys fabricated by SEBM technology

2.1.3 SEBM制備多孔Ti-6Al-4V合金

借助于3D打印技術(shù)自由設(shè)計的特點，可以對人體骨的真實結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生，將孔結(jié)構(gòu)引入材料設(shè)計，達(dá)到降低Ti-6Al-4V植入體彈性模量的目的，消除“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)帶來的骨吸收等問題。因此，多孔鈦合金也一直是3D打印領(lǐng)域研究的熱點之一。與傳統(tǒng)無序多孔結(jié)構(gòu)不同，3D打印技術(shù)更關(guān)注有序化的孔結(jié)構(gòu)，這種多孔材料通常被稱為點陣材料(Lattice structure)。表2給出了SEBM技術(shù)制備的典型Ti-6Al-4V多孔材料的結(jié)構(gòu)特點和力學(xué)性能。

圖3 SEBM成形Ti-6Al-4V點陣多孔材料的力學(xué)性能[13,21-33]Fig 3 Mechanical properties of Ti-6Al-4V lattice structure fabricated by SEBM technology[13,21-33]

從以上數(shù)據(jù)可以看出，通過調(diào)節(jié)Ti-6Al-4V點陣材料的孔結(jié)構(gòu)和密度，實現(xiàn)其強(qiáng)度和彈性模量在0.8～196 MPa和0.03～14.9 GPa范圍內(nèi)的任意調(diào)控，基本達(dá)到了人體松質(zhì)骨的力學(xué)性能要求，但同等密度條件下，SEBM成形Ti-6Al-4V點陣材料的強(qiáng)度和剛度還無法達(dá)到人體密質(zhì)骨的水平。另一方面，由于逐層沉積過程中的臺階效應(yīng)，Ti-6Al-4V點陣材料的孔棱表面比較粗糙，應(yīng)力集中嚴(yán)重，導(dǎo)致現(xiàn)有報道的SEBM成形Ti-6Al-4V點陣材料的韌性較差，壓縮應(yīng)變均在10%以內(nèi)就會發(fā)生不可以的脆性斷裂，熱等靜壓或熱處理雖然可以在一定程度上改善Ti-6Al-4V點陣材料的韌性，但難以消除其脆性斷裂的本質(zhì)。筆者針對這一問題，從結(jié)構(gòu)設(shè)計和微觀組織調(diào)控兩方面入手，獲得了一種具有高韌性的Ti-6Al-4V點陣材料，壓縮過程變形均勻，應(yīng)變超過50%時仍為發(fā)生脆性斷裂[34]。

圖4 高韌性的Ti-6Al-4V點陣材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(插圖為壓縮后樣品的實物圖)Fig 4 Compressive strain-stress curves of Ti-6Al-4V lattice with high ductility

2.1.4 SEBM技術(shù)成形Ti-6Al-4V合金的應(yīng)用

我國在SEBM技術(shù)成形Ti-6Al-4V合金的應(yīng)用方面與國外基本保持在同一水平。2015年7月22日，北京愛康醫(yī)療采用SEBM技術(shù)研發(fā)的我國首個3D打印人體植入物——人工髖關(guān)節(jié)獲得國家食品藥品監(jiān)督管理總局(CFDA)注冊批準(zhǔn)[2]。截止目前，總共有4款SEBM技術(shù)成形的標(biāo)準(zhǔn)化植入體獲得CFDA認(rèn)證，并已經(jīng)在臨床得到了規(guī)?；瘧?yīng)用(如表3所示)。

2.2 CoCr合金

與鈦合金相比，CoCr合金硬度高、耐磨性優(yōu)異，并且成本低。因此，CoCr合金是一種重要的生物醫(yī)用金屬材料，主要用于制作人工膝關(guān)節(jié)、種植牙和表面涂層材料。常規(guī)的鑄造方法制備的CoCr合金雖然性能優(yōu)異，但無法實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的植入體制備，離心鑄造等方法制備的成形精度和性能穩(wěn)定性難以滿足臨床要求。

與鈦合金相比，有關(guān)SEBM技術(shù)成形CoCr的研究較少?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，SEBM成形CoCr合金微觀組織在高度方向上存在差異，其底部為hcp結(jié)構(gòu)的ε相，逐漸過渡到頂部的fcc結(jié)構(gòu)的γ相[35]。組織的各向異性導(dǎo)致SEBM成形的CoCr合金力學(xué)性能在各個方向上存在一定的差異，盡管通過800 ℃熱處理時的fcc→hcp轉(zhuǎn)變可以一定程度減弱組織的各向異性。但熱處理后ε相的晶粒尺寸和形態(tài)在高度方向上還是存在一定的不同，即頂部為細(xì)小等軸組織，底部為粗大的柱狀晶[36]，如圖5所示。

表3 獲CFDA認(rèn)證的SEBM成形Ti-6Al-4V植入件Table 3 Properties of SEBM-ed Ti-6Al-4V implants certified by CFDA

圖5 SEBM成形Co-28Cr-6Mo-0.23C-0.17N合金的微觀組織各項異性Fig 5 DBSD phase maps of Co-28Cr-6Mo-0.23C-0.17N alloys fabricated by SEBM

2016年，Arcam公司在Q10 plus設(shè)備中推出了CoCr合金的成形工藝包，并給出了經(jīng)過熱等靜壓和均勻化處理前后的材料性能?？梢钥吹剑琒EBM成形沉積態(tài)的CoCr合金沿高度方向為粗大的柱狀晶，并且內(nèi)部析出了大量的碳化物顆粒，經(jīng)過熱等靜壓(1 200 ℃/100 MPa/240 min)和均勻化退火處理(1 200 ℃/240 min，快冷至760 ℃)后，組織中的碳化物完全融入基體，并且沒有發(fā)現(xiàn)任何的孔洞缺陷。Arcam公司制備的CoCr合金的力學(xué)性能全面超過了鑄造態(tài)，并且疲勞性能優(yōu)異，如圖6和表2所示。

圖6 Arcam公司制備的Co-28Cr-6Mo-0.23C-0.17N合金微觀組織Fig 6 Optical microstructure of Co-28Cr-6Mo-0.23C-0.17N alloys before and after heat treatment

表4 SEBM成形CoCr合金的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of CoCr alloys fabricated by SEBM technology

目前，還沒有關(guān)于SEBM成形CoCr合金臨床應(yīng)用的相關(guān)報道，基于上述力學(xué)性能數(shù)據(jù)，可以預(yù)見，SEBM技術(shù)成形的CoCr合金植入體(圖7)必將很快進(jìn)入臨床應(yīng)用階段。

圖7 SEBM技術(shù)成形的CoCr合金膝關(guān)節(jié)植入體Fig 7 CoCr alloy keen implant fabricated by SEBM technology

2.3 SEBM成形多孔鉭

金屬鉭具有優(yōu)異的韌性和耐腐蝕性能以及優(yōu)異的生物相容性，被認(rèn)為是最為理想的骨科植入材料。鉭的密度較高，臨床上常以多孔鉭作為骨科植入體。同時，鉭的熔點為2 996 ℃，是鈦合金的2.8倍，常規(guī)的加工方法難以實現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的制備。1997年，美國Zimmer公司采用化學(xué)氣象沉積技術(shù)制備的多孔鉭Trabecular MetalTM獲得美國FDA批準(zhǔn)被應(yīng)用于臨床，但該方法無法滿足個性化診療的需求[37]。

隨著3D打印技術(shù)在醫(yī)用鈦合金領(lǐng)域的成功和技術(shù)裝備的不斷成熟，3D打印多孔鉭逐漸成為醫(yī)用材料領(lǐng)域的研究熱點[38]。我國西北有色金屬研究院在科技部重點研發(fā)計劃項目的支持下，采用西安賽隆公司等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化的醫(yī)療級球形鉭粉，獲得了致密度99.9%以上的金屬鉭材料，并且實現(xiàn)了多孔鉭孔隙率在65%～95%以內(nèi)的任意調(diào)控，化學(xué)成分滿足醫(yī)療行業(yè)植入標(biāo)準(zhǔn)YYT0966—2014《外科植入物金屬材料純鉭》的要求，如圖8所示。

2018年，第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院采用西北有色金屬研究院制備的多孔鉭材料，成功完成了全球第一例個性化多孔鉭植入體的臨床手術(shù)，如圖9所示。截止目前，該院已經(jīng)完成了27例SEBM技術(shù)成形的個性化3D打印多孔鉭金屬假體植入的臨床應(yīng)用[37]。

圖9 個性化3D 打印多孔鉭金屬假體植入加右膝關(guān)節(jié)翻修術(shù)Fig 9 A case of customized porous tantalum implant fabricated by SEBM technology

3 3D打印骨科制造材料存在的主要問題

隨著技術(shù)和裝備的不斷進(jìn)步與發(fā)展，SEBM技術(shù)成形的醫(yī)用骨科產(chǎn)品逐步被醫(yī)患所認(rèn)知與接受。其技術(shù)優(yōu)勢對醫(yī)療領(lǐng)域的革命創(chuàng)新是顯而易見的。然而，SEBM技術(shù)在醫(yī)用金屬材料領(lǐng)域仍存在許多問題有待完善。

3.1 制造成本

從工藝角度分析，SEBM技術(shù)要求粉末原料具有優(yōu)良的流動性和批次穩(wěn)定性，一般是采用一定粒度級配的球形粉末為原料，原料成本較高；從臨床應(yīng)用來看，醫(yī)用骨科植入產(chǎn)品對材料成分的要求十分嚴(yán)格，例如：YY/T0966—2014 《外科植入物金屬材料純鉭》中規(guī)定鉭的氧含量要小于150×10-6，而市售的鉭粉氧含量一般在1 000×10-6以上，成形工藝控制的難度較大。以上因素均導(dǎo)致現(xiàn)有SEBM成形醫(yī)用植入材料的生產(chǎn)成本顯著高于傳統(tǒng)的鑄造和鍛造工藝。

3.2 性能評價方法和行業(yè)法規(guī)空白

現(xiàn)有的材料性能評價方法需要標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行性能檢測，而3D打印技術(shù)制備的醫(yī)用植入材料(器械)大多是由致密、多孔以及薄壁結(jié)構(gòu)組成而成，難以滿足傳統(tǒng)檢測方法的要求。同時，針對3D打印技術(shù)的工藝特點、復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及個性化植入體的相關(guān)質(zhì)量在線監(jiān)控技術(shù)和性能測試方法仍處于空白，導(dǎo)致部分臨床醫(yī)生和患者對3D打印骨科植入材料的性能還存在疑惑。

3.3 個性化植入體的認(rèn)證困難

現(xiàn)階段獲得醫(yī)療準(zhǔn)入許可的均是標(biāo)準(zhǔn)化的骨科植入體，很多的研究和產(chǎn)品都只是用增材制造代替了傳統(tǒng)的制造方法，缺乏針對性的設(shè)計和分析，產(chǎn)品實質(zhì)還是傳統(tǒng)產(chǎn)品，并非個性化產(chǎn)品，并沒有充分發(fā)揮3D打印在個性化診療上的巨大優(yōu)勢。然而，對于針對患者定制的個性化產(chǎn)品，由于FDA與CFDA對于3D打印產(chǎn)品并無單獨的評價體系，導(dǎo)致此類產(chǎn)品很難獲得市場準(zhǔn)入認(rèn)證，僅能停留在臨床試驗階段。因此，急需加快制定3D打印個性化骨科植入材料的國家標(biāo)準(zhǔn)以及臨床應(yīng)用的評價方法，開通綠色通道，加速推進(jìn)3D打印個性化骨科植入體的取證工作，早日造?；颊?。

4 結(jié) 語

隨著裝備與技術(shù)的不斷成熟，SEBM技術(shù)制備的鈦合金植入體已經(jīng)在醫(yī)用骨科植入材料領(lǐng)域取得了成功，多孔鉭和CoCr合金也在臨床得到了試用，未來的市場將會呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長。但現(xiàn)階段由于性能評價體系的欠缺和準(zhǔn)入門檻的限制，個性化的植入體距離規(guī)模應(yīng)用還需在生產(chǎn)成本、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與評價體系建立等方面進(jìn)行大量的工作。3D打印技術(shù)的新突破和新成就還需先進(jìn)的技術(shù)團(tuán)隊、醫(yī)療器械公司、臨床醫(yī)生及政府監(jiān)管部門的共同協(xié)作和努力，從而共同推動3D打印技術(shù)在骨科植入材料領(lǐng)域的發(fā)展，使得該項技術(shù)早日造福于民。