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医用植入钛的性能介绍及应用


time:2018/8/10 hits:49

 医用金属材料用于外科植入物和矫形器械的主要有不锈钢、钴基合金和钛三类。其中钛合金由于良好的生物学性能,已成为最为理想的金属植入物。

 
一、 医学应用
1.1 整形外科
医用钛网,钛板,钛钉等植入物已被广泛应用口腔颌面部受伤后内固定及颌面骨组织切除后内固定及颌面骨组织切除后功能性修复重建等,也可制作颅骨板其用于颅骨的修复,利用钛网可以修复损坏的头盖骨和硬膜,口腔内制作种植体,个性化基台,义齿支架,冠桥等钛合金材料也在体内取得了良好的效果。
 
 1.2 心脏瓣膜
美国活性金属公司提供了一种用以制作主动脉瓣膜的钛材,外科医生将这种钛材制成的心瓣放在合适的位置,而不必缝合。
 
 1.3  人工肺
我国第二代心脏外科手术的微泡式氧合器(人工肺),其关键部位使用的是微孔钛片。它作为气体扩散元件将氧气扩散到体外循环病人的血液中。将静脉血变成动脉血,在手术过程中,患者自身肺暂停时,起人工肺的作用。
 
二、钛的生物学性能
医用植入物必须满足的生物学性能特征为生物化学相容性及生物力学相容性,化学相容性主要是指这种材料无细胞毒性、组织刺激性、免疫反应、过敏反应、遗传毒性和致癌性等。力学相容性是指材料的力学特征接近修复部的特征,即使长期使用其功能也不发生变化。
 
钛在人体内活性和盐分的溶解度几乎为零,研究表明将Ti ,Ni,Ni-Ti合金和316S不锈钢在相同的生长环境下,显微镜下细菌生长的照片同自然条件相比较,Ti中生长的情况与自然情况相同,从而进一步证明了钛的无毒性。
 
从力学相容性的角度来讲,骨与关节的替代物在人体会受到各种的弯曲、挤压、拉伸、剪切等生物力的作用,因此对植入物有极高的要求。其中植入的材料应满足的重要属性包括:硬度、拉伸强度、弹性模量、耐磨性和疲劳性等。大量临床研究表明,传统金属植入物生物力学相容性差,与骨组织的力学性能不相匹配,与所替代的硬组织之间的界面结合力较弱,最终会导致植入体松动及自体骨断裂。经研究表明对植入物表面进行空隙化设计可改善其力学特性。
空隙结构的存在,对植入物的力学性能有以下几方面的改善:
 
金属植入物的密度、强度、弹性模量。可以通过对孔径的大小来调整用以达到力学相容性,用以避免植入体骨组织的坏死,新骨畸变及承载能力的降低。
 
三维贯通的网孔结构及粗糙的内外表面有利于成骨细胞在其表面的黏附、分化和增殖潜能,能够形成垂直性的骨愈合,实现植入物与骨的生物固定。
 
三、 3D打印技术加工钛植入物
人体结构非常复杂,对于缺损畸形的修复体加工一直是一个难点。采用3D打印技术可以根据任意复杂的CAD模型设计来获的各种空间结构,且能够通过精确设计制备网状结构单元及网孔大小、空间分布、外形形状等,进而达到与人体硬组织相匹配的力学性能,实现个性化制造。免去医生在手术过程中对植入物的塑形过程,大大节约手术时间、提升手术精准度。
 
用于直接制造钛合金植入物的3D打印技术主要有电子束融化(EBM),选区激光烧结(SLM)。
 
电子束容化技术(EBM)是20世纪90年代中期发展起来的以电子束为能量源,计算机系统控制电子通过对金属粉末进行选区熔化和铺粉熔化,整个环境是在真空条件下进行的。其优点在于较高的温度使得钛处于去应力退火状态,消除零件的残余应力;保证了合金组织显微结构的均匀性;使得零件的合金成分更纯净,将低含氧量;减少马氏体的生成。
 
选区激光烧结(SLM)是利用金属粉末在激光束的作用下完全熔化,经冷却凝固而成型的一种技术。SLM技术现已经成功的应用于医用钛合金的制造,SLM设备的优势在于:不仅可提供多激光器及拥有双向铺粉专利,而且拥有全自动筛粉站或半自动筛粉站。打印精度高且各方面性能均非常优异,满足临床使用各方面需求。
 
现在钛合金在临床应用案例已经越来越多,随着政策的慢慢明朗,相信3D打印钛合金植入物将会占据大量植入物市场份额。

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