上海大學《JMST》綜述：3D打印鈦合金的生物醫(yī)學應用！

來源：材料科學與工程


導讀：3D打印技術是一項新型精密成形技術，也是第三次工業(yè)革命的核心技術。鈦及其合金的3D打印技術由于其定制生產，節(jié)省成本、時間和資源的潛力，在生物醫(yī)學應用中受到高度關注，其中3D打印的個性化定制可以滿足具體需求，能夠實現微觀組織和結構設計的精確控制。文章首先從材料、設備、技術、工藝等方面綜述了骨替代鈦基生物材料的最新發(fā)展，其次，對細胞結構的拓撲設計、鈦合金熱處理后的微觀組織、力學性能和失效形式以及成骨細胞的體內外實驗進行了討論，最后闡述合金缺陷的改善方法，并展望了人工智能、大數據和機器學習在3D打印領域的應用前景。

隨著人口老齡化和患者希望保持相同水平的活動和生活質量，骨科生物材料的使用在過去幾年中急劇增加。在臨床骨科生物材料巨大需求的推動下，骨組織工程發(fā)展迅速，并研究設計了一系列骨科生物材料。鐵基和鎂基生物材料借助3D技術得到了廣泛的應用，與鐵基和鎂基生物材料相比，鈦基生物材料具有高強度，低比模量，更好的生物相容性，在骨科生物材料中表現出具有競爭力的獨特優(yōu)勢。

3D打印鈦基生物材料可根據個人的不同需求而定制，不僅可以制造復雜的結構，而且在成本、制造周期、個性化定制等方面具有無可比擬的優(yōu)勢，可大力發(fā)展該技術在骨科、牙科和心血管等領域的應用。然而，該技術仍然面臨著許多挑戰(zhàn)，如如何平衡多孔骨質生長與力學性能之間的關系、增材制造技術的選擇以及參數優(yōu)化等。

上海大學的研究人員總結了前人的研究工作，指出目前鈦基生物材料面臨的挑戰(zhàn)，強調人工智能在3D打印參數選擇和結構優(yōu)化中的重要作用。相關論文以題為“Biomedical applications of the powder-based 3D printed titanium alloys: A review”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.11.084

圖1 (A)激光增材制造(B) 粘結劑噴射增材制造(C)三種多材料擠壓增材制造技術


圖2 增材制造和常規(guī)方法制備的Ti6Al4V的屈服強度和塑性


圖3電子束熔融(EBM)制備多孔鈦與熱敏膠原復合支架的體內骨誘導實驗。（B）GBR中導致細胞對Ti6Al4V-6Cu合金響應的模型；（C）植入體內8周后，多孔鈦合金micro-CT圖像及支架孔內骨分數定量結果

圖4機器學習在3D打印技術中的應用。(A)生物醫(yī)學3D打印流程的機器學習:從打印到患者（B）機器學習啟發(fā)的各向同性晶格結構設計（C）冶金學、機械建模和機器學習在金屬3D打印各個具體過程中的貢獻。

文章通過對3D打印鈦合金技術的分析和總結，得出以下結論：

(1)不同的3D打印技術在熱掃描速度、電源功率、沉積速率等方面存在差異。與傳統(tǒng)工藝相比，3D打印制備工藝具有快速加熱和冷卻的典型特性，需精確控制工藝參數，以獲得高質量和可靠的零件;

（2）對骨組織的拓撲結構進行分類和描述，指出降低剛度的一種方法是合理優(yōu)化多孔骨替代物的拓撲結構，從而減少骨替代物與宿主骨之間剛度的差異，從而緩解應力屏蔽問題。

（3）分析了快速加熱和冷卻的特點對鈦合金組織演變的影響，可以通過調整兩相組成和組織形態(tài)，可實現機械性能的改善;

（4）強調了多孔鈦合金在植入后的生物相容性和骨結合能力;(4)通過開發(fā)強大的數字工具，如結合冶金知識庫的機器模型和機器學習，3D打印金屬才有更好地發(fā)展。

指出制定有效鑒定和證明方法應需要良好掌握工藝參數和對疲勞性能的相關影響因素。對于復雜的3D打印幾何結構(如多孔結構和晶格結構)，需要開發(fā)更好的測試、掃描方法以及無損評估技術。此外，人工智能和機器學習算法的不斷應用為加工參數的選擇提供了科學指導，能夠提高零件的質量，降低試錯成本。并且機器學習還可以根據經驗逐步更新工藝-微觀組織-性能關系。強調要大力發(fā)展3D打印數據庫，為優(yōu)化實驗設計、加速個性化定制奠定基礎。（文：曉太陽）