陳錦堂，郭紫瑩，王成勇，*，譚超林，胡映寧，劉建業(yè)

（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧530004；2.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州510006；3.廣東漢邦激光科技有限公司，中山529437）

引 言

鈦合金因其強(qiáng)度高、耐腐蝕性能力強(qiáng)、生物相容性好，被視為外科植入體的首選金屬材料［1］，常用于醫(yī)療領(lǐng)域中的牙科、骨科植入物和輔助器械等生產(chǎn)原料。然而，由于鈦合金材料本身具有難加工、生產(chǎn)成本高的特點(diǎn)，加上鈦合金作為植入物器械生產(chǎn)制造時(shí)，要求很高的空間復(fù)雜度和個(gè)體匹配性，使得傳統(tǒng)加工方式制備的醫(yī)用鈦合金植入物不僅成本高，而且也很難滿足患者個(gè)性化治療需要。近年來，一種基于增材制造理念的金屬打印成形技術(shù)激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）的出現(xiàn)，為解決這一難題提供了契機(jī)，并以此技術(shù)作為外科個(gè)性化醫(yī)療器械生產(chǎn)制造成為了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域精準(zhǔn)治療的活躍點(diǎn)。本文中就以醫(yī)用鈦合金材料中，研究和應(yīng)用最為廣泛的Ti-6Al-4V為對(duì)象，對(duì)其基于SLM技術(shù)生產(chǎn)制造醫(yī)療器械的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 Ti-6Al-4V及SLM簡(jiǎn)介

Ti-6Al-4V是一種具有α+β雙相結(jié)構(gòu)的鈦合金，同時(shí)擁有α相高強(qiáng)度和β相低彈性模量的特點(diǎn)，加上表面氧化層的高惰性和良好的生物相容性，在醫(yī)療領(lǐng)域廣泛用于創(chuàng)傷外科醫(yī)療器械（包括植入假體和導(dǎo)板、接骨板等輔助類器械工具）的生產(chǎn)制造。但由于材料加工難度大和醫(yī)療器械制作的復(fù)雜性，生產(chǎn)制造成本往往很高。在臨床上，不僅增加了患者實(shí)際治療的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，而且傳統(tǒng)鍛造、軋制等方式下的批量生產(chǎn)，也很難滿足患者個(gè)性化治療的實(shí)際需要。因此Ti-6Al-4V在臨床應(yīng)用并沒有得到最大程度的利用。

增材制造理念下的SLM，是一種基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）數(shù)字文件逐層疊加的生產(chǎn)技術(shù)，即通過激光熔化金屬粉末由點(diǎn)成線、由線成面、由面成形的生產(chǎn)過程。這種特定加工方式不僅能解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)件難于生產(chǎn)的問題，而且快速、一次成形、僅需少量后處理手段的特點(diǎn)能最大程度減少加工周期和生產(chǎn)成本，這為解決外科醫(yī)療器械難于加工和生產(chǎn)成本高的問題提供了一種新的思路。

當(dāng)前，從前身激光選區(qū)燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）演變而來的SLM，在眾多研究學(xué)者的共同努力下，面向工業(yè)應(yīng)用的SLM成形Ti-6Al-4V技術(shù)已經(jīng)逐步成熟并走向應(yīng)用，而用作醫(yī)療器械生產(chǎn)的Ti-6Al-4V除基本成形問題外，還要求滿足植入和操作的高匹配度、高可靠性和高安全性等特點(diǎn)，因而在具體應(yīng)用過程中進(jìn)展相對(duì)緩慢。近年來，眾多基于SLM成形醫(yī)用Ti-6Al-4V的研究也正是圍繞著上述要求從工藝參量?jī)?yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輔助后處理改性等方面展開了大量研究，并加以相關(guān)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物試驗(yàn)等生物相容性檢驗(yàn)。研究覆蓋了從設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)成形到后處理工藝的整個(gè)生產(chǎn)流程，目的在于制造出成形精度高、符合人體組織力學(xué)性能、細(xì)胞生物相容性好的醫(yī)療器械件。

2 SLM成形Ti-6Al-4V醫(yī)療器械的基礎(chǔ)工藝及性能研究

Ti-6Al-4V在醫(yī)用領(lǐng)域的SLM成形工藝問題與工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域類似，都是為了解決成形過程中出現(xiàn)的孔隙、變形、尺寸精度等問題以確保成形質(zhì)量，且部分性能具有共性要求。因此，雖然應(yīng)用于醫(yī)用的Ti-6Al-4V在粉末特性上存在微量元素的細(xì)微差異和對(duì)氧含量的控制要求不同，但Ti-6Al-4V成形工藝問題和改善方法具有普遍性和適用性，相關(guān)力學(xué)性能和工藝方法仍具有參考性。為了方便全面總結(jié)分析Ti-6Al-4V在醫(yī)療器械生產(chǎn)上的成形工藝問題和力學(xué)性能，綜合了部分工業(yè)應(yīng)用Ti-6Al-4V相關(guān)的研究。

2.1 成形工藝研究

2.1.1 致密度 SLM成形下孔隙的存在往往導(dǎo)致零件質(zhì)量下降。除材料本身和加工環(huán)境因素［2］外，其主要原因在于成形過程中熔道搭接不良、熔池不穩(wěn)定行為。而影響上述行為的工藝參量有掃描功率、掃描速度、掃描間距、層厚、掃描策略等。表1中例舉了部分學(xué)者對(duì)上述主要影響參量的研究結(jié)果。隨著研究的不斷深入完善，現(xiàn)階段Ti-6Al-4V成形密度基本能接近理論密度。

此外，研究表明，熱等靜壓［8］、鍛造［9］等后處理工藝能進(jìn)一步提高致密度，因此，對(duì)于輔助類器械，還可以通過結(jié)合實(shí)際，按照相關(guān)后處理工藝實(shí)現(xiàn)近乎完全致密生產(chǎn)。

上述研究表明，合理搭配工藝參量和結(jié)合一定的后處理手段不僅能實(shí)現(xiàn)Ti-6Al-4V的高密度生產(chǎn)，且通過調(diào)節(jié)層厚和光斑等參量能適當(dāng)?shù)靥岣呱a(chǎn)效率。

表1 工藝參量對(duì)Ti-6Al-4V成形密度的影響研究

2.1.2 熱應(yīng)力 影響Ti-6Al-4V激光熔化快速成形質(zhì)量的另一個(gè)關(guān)鍵問題是熱應(yīng)力。Ti-6Al-4V在激光瞬間高能作用下，經(jīng)歷了快速熔化凝固的過程，局部極易產(chǎn)生變形和裂紋，特別是對(duì)于復(fù)雜的植入體結(jié)構(gòu)，局部的薄弱結(jié)構(gòu)經(jīng)常由應(yīng)力導(dǎo)致裂紋或變形使成形失敗。一直以來，相關(guān)人員也圍繞應(yīng)力優(yōu)化問題展開了一段漫長(zhǎng)的研究，圖1中總結(jié)和例舉了常見降低殘余應(yīng)力的方法及其文獻(xiàn)出處［10-16］。

圖1 降低SLM成型Ti-6Al-4V件熱應(yīng)力的常見工藝方法/思路

然而，盡管上述工藝優(yōu)化方法在一定程度上都能減少應(yīng)力變形，但由于SLM其瞬時(shí)、高溫作用材料的固有加工特點(diǎn)，其熱應(yīng)力無(wú)法避免。特別是對(duì)于大型醫(yī)療器械件的生產(chǎn)加工，應(yīng)力問題將更為復(fù)雜。故現(xiàn)對(duì)于大型外科植入物件的成形仍存在應(yīng)力不可控問題。

2.1.3 尺寸精度與表面質(zhì)量 醫(yī)療器械對(duì)整體尺寸精度和表面質(zhì)量要求較高，需滿足植入、操作的匹配性。特別是植入體，具有空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，留下的機(jī)加工空間太低。因此，Ti-6Al-4V在SLM成形過程中的制造精度控制也十分重要。

一方面，為了研究和控制SLM成形Ti-6Al-4V的尺寸偏差，SUN等人［17］發(fā)現(xiàn)成形尺寸與能量密度有關(guān)且存在各向異性，x，y方向高能容易增加平面液體流動(dòng)范圍增大尺寸，而在z方向粉末熔化收縮則導(dǎo)致尺寸變小。LIU等人［18］利用顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描對(duì)成形的單元支架測(cè)量發(fā)現(xiàn)構(gòu)建方向出現(xiàn)明顯的收縮，支架厚度在高度方向小于水平方向，形成局部薄弱點(diǎn)。目前尺寸的控制工藝主要還是通過控制能量輸入和設(shè)備軟件校正來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于牙科小型件而言，僅通過參量?jī)?yōu)化即可達(dá)到比較高的精度，如WANG等人［19］優(yōu)化工藝參量后成形牙冠、牙釘螺紋尺寸偏差分別在1.12%～2.49%，3.14%。而對(duì)于大型件則需要設(shè)備軟件進(jìn)行尺寸校正，但對(duì)于空間復(fù)雜度較高植入體結(jié)構(gòu)，軟件修正會(huì)由于缺乏精確修正模型和多孔結(jié)構(gòu)難于測(cè)量問題［20］表現(xiàn)出局部尺寸補(bǔ)償局限性。

另一方面，據(jù)報(bào)道，Ti-6Al-4V經(jīng)SLM成形后表面粗糙度 Ra通常存在很大的波動(dòng)范圍（10μm～30μm［21-23］），這主要跟成形表面形狀特征有關(guān)。雖然CHEN等人［24］研究表明，粗糙度隨著成形面傾斜角的增加而增加，對(duì)細(xì)胞粘附和增殖影響沒有顯示出統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但實(shí)際上粗糙度對(duì)抗疲勞、耐腐蝕等性能影響卻非常大。為了研究和控制好粗糙度，WANG等人［25］研究了不同功率和掃描速度工藝參量對(duì)Ti-6Al-4V成形粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)功率、速率分別在150W～250W，850mm/s～1450mm/s時(shí)，能保證尺寸精度，同時(shí)Ra接近6.3μm。此外，研究發(fā)現(xiàn)，螺旋線掃描［26］和重熔掃描策略也能有效改善表面粗糙度。其中，重熔掃描包括增加輪廓掃描［27-28］和表面重熔掃描［29］兩種方法。前者可以處理由于邊緣堆高引起的表面粗糙問題。但對(duì)后者的研究表明，隨著表面重熔次數(shù)增加，可能會(huì)帶來表面氧化層化學(xué)成分變化和偏析問題［30］。因此，針對(duì)表面質(zhì)量要求更高的輔助器械工具成形，上述方法存在一定局限性，后續(xù)拋光是必要的。

2.2 力學(xué)性能研究

2.2.1 塑性 研究表明，與傳統(tǒng)加工方式不同，Ti-6Al-4V經(jīng)SLM成形后，其快速再結(jié)晶特點(diǎn)得到的是亞穩(wěn)定細(xì)小α′相組織。雖然這種組織細(xì)晶強(qiáng)化提高了強(qiáng)度，但同時(shí)也降低了塑性，延伸率僅為 3% ～6%［31-34］，遠(yuǎn)低于醫(yī)療器械 GB/T 13810-2007規(guī)定的10%。另外由于SLM是一個(gè)逐層疊加成形的過程，柱狀晶的存在也表現(xiàn)出力學(xué)性能各向異性［35］問題。針對(duì)上述問題，大量研究旨在通過原位馬氏體分解、后熱處理手段調(diào)控微觀組織實(shí)現(xiàn)塑性重塑和力學(xué)各向異性的消除，圖2中舉例了部分研究學(xué)者相關(guān)工作。

圖2 SLM成形Ti-6Al-4V的組織調(diào)控方法

具體而言，XU等人［36］通過調(diào)節(jié)能量密度和光斑離焦值后，得到了如圖3所示的不同層狀α+β組織結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后延伸率可達(dá)11.4%，屈服強(qiáng)度1100MPa。ALI等人［37］在570℃基板預(yù)熱條件下，屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別相比未預(yù)熱分解提高3.2%和66.2%。QIU等人［38］通過最終拉伸試驗(yàn)對(duì)比，其拉伸特性能與熱機(jī)械加工方式相當(dāng)，如圖4所示。LI等人［39］的對(duì)比結(jié)果顯示，800℃保溫2h爐冷為最佳熱處理工藝，成形樣抗拉強(qiáng)度達(dá)1065MPa，延伸率達(dá)20.5%。

圖3 離焦量與能量密度引起的微觀組織的變化［36］a—離焦值為2mm，能量密度為33.74J/mm3 b—離焦值為2mm，能量密度為50.62J/mm3 c—離焦值為4mm，能量密度為50.62J/mm3

圖4 SLM成形Ti-6Al-4V原始態(tài)和熱等靜壓處理后的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比［38］

以上研究表明，Ti-6Al-4V經(jīng)SLM成形后塑性變差的問題，通過優(yōu)化加工工藝參量結(jié)合熱處理手段可以獲得較高的基本力學(xué)性能，其塑性優(yōu)于現(xiàn)有傳統(tǒng)加工路線國(guó)標(biāo)規(guī)定的醫(yī)用器械標(biāo)準(zhǔn)值。但應(yīng)當(dāng)注意，實(shí)際上通過SLM成形生產(chǎn)的Ti-6Al-4V專用粉末醫(yī)療器械，其塑性可能會(huì)因?yàn)閷Ｓ梅勰┪⒘吭?、成分和特性不同而表現(xiàn)出一定差異。

2.2.2 彈性模量 在臨床上，醫(yī)療植入類器械的選型一個(gè)重要的原則是要求盡可能符合人體骨骼力學(xué)特性（皮質(zhì)骨強(qiáng)度為 100MPa～150MPa［40］，彈性模量為4GPa～30GPa［41］），以提高植入穩(wěn)定性和減少應(yīng)力屏蔽作用。而SLM技術(shù)結(jié)合多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的契機(jī)完美地為解決這一問題提供了方法，已有研究表明，多孔組織具有適合細(xì)胞組織所需的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)［42-43］能促進(jìn)骨再生和整合［44］。

因此，現(xiàn)大量工作主要圍繞著多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造?，F(xiàn)有SLM制造多孔主要通過：造孔劑原位氣泡生成［45］、間距構(gòu)造［46］以及 CAD輔助設(shè)計(jì)一次成形來實(shí)現(xiàn)。前兩種方法構(gòu)造雖簡(jiǎn)單，但分別由于不易控制和難于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜和梯度孔制造而受到限制，故CAD輔助設(shè)計(jì)成為了主要方法。近些年，CAD輔助設(shè)計(jì)制造單元點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的研究報(bào)道較多。表2為ZHANG等人［47］綜合了大量研究人員的研究結(jié)果，包括不同類型和尺寸單元結(jié)構(gòu)的彈性模量等力學(xué)性能的參考值。

隨著單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷深入，為了獲得更好的模量、強(qiáng)度等綜合性能，單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法得到了延伸，出現(xiàn)了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)、功能梯度結(jié)構(gòu)方法，如圖5所示。顯然，SLM在這些結(jié)構(gòu)制造上，展現(xiàn)出了強(qiáng)大的空間制造能力，為多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了自由設(shè)計(jì)空間，對(duì)于降低Ti-6Al-4V彈性模量作為植入體是十分可觀的。然而，盡管帶多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸參量取得了很大進(jìn)展，但現(xiàn)對(duì)于多孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能表征主要集中于壓縮強(qiáng)度的檢測(cè)，缺乏全面的綜合性能評(píng)估。如BARTOLOMEU等人［61］研究發(fā)現(xiàn)，隨著多孔尺寸的增大，其耐磨性變?nèi)?。因此，Ti-6Al-4V的多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍需深入研究。

表2 常見不同單元結(jié)構(gòu)類型尺寸設(shè)計(jì)的相關(guān)制造性能參考值［47］

圖5 幾類常見多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路［58-60］

2.2.3 疲勞特性 植入體服役于牙科咀嚼或充當(dāng)承載部分會(huì)頻繁承受人體正?；顒?dòng)下的負(fù)載，要求植入器械必須具有一定的抗疲勞特性。而實(shí)際上材料在SLM高能快速激光成形的過程中，熔池不穩(wěn)定帶來的孔隙、球化、熱應(yīng)力等工藝缺陷以及細(xì)晶增加裂紋源的問題不可避免地加劇了裂紋的萌生和擴(kuò)展的機(jī)率。研究表明，Ti-6Al-4V經(jīng)SLM打印成形后，由于表面粗糙度相對(duì)較高、孔隙和應(yīng)力的存在，其抗疲勞特性遠(yuǎn)低于軋制件［62-63］，特別是對(duì)于具有結(jié)構(gòu)單元特性的植入體而言，單元結(jié)構(gòu)連接處的局部缺陷引起應(yīng)力集中現(xiàn)象將進(jìn)一步降低其抗疲勞強(qiáng)度［64-65］。此外，SLM具有成形原理上的方向異性，使得SLM成形后疲勞特性也具有各向異性問題［66］。

為了提高SLM成形Ti-6Al-4V的疲勞特性，除了前文提到從工藝控制成形缺陷外，眾多學(xué)者還研究了通過不同后處理手段來提高疲勞性能。HACKEL等人［67］發(fā)現(xiàn)，通過表面激光噴丸強(qiáng)化，Ti-6Al-4V打印件的疲勞強(qiáng)度能得到大幅提升。LEUDERS等人［68］、ZHANG等人［69］的研究表明，熱等靜壓也能有效提高疲勞特性。但是，DALLAGO等人［70］也報(bào)道了熱等靜壓處理的局限性，認(rèn)為其并不能改善表面缺陷形貌，反而會(huì)降低硬度帶來不利影響。為了更直觀分析不同后處理方式對(duì)疲勞特性的影響，BENEDETTI等人［71］分別對(duì)比了經(jīng)退火、電解質(zhì)拋光、噴丸、熱等靜壓處理及未處理的SLM成形件的抗疲勞特性，將其結(jié)果和原因總結(jié)于表3中。

表3 不同后處理方式對(duì)疲勞特性影響［71］

從上述研究分析可以看出，Ti-6Al-4V經(jīng)SLM成形后，疲勞失效存在表面、內(nèi)部裂紋萌生兩種機(jī)制［72］。這種由于表面缺陷和內(nèi)部快速成形熱應(yīng)力集中、組織形態(tài)不穩(wěn)定等固有特點(diǎn)與疲勞特性表現(xiàn)出的復(fù)雜相關(guān)性，使得疲勞特性要求較高的植入件增加了處理難度。因此，綜合控制成形工藝、輔助后處理以確保內(nèi)部質(zhì)量、結(jié)合噴丸、拋光等處理提高表面質(zhì)量可能才是實(shí)現(xiàn)高疲勞壽命最佳方式。如NICOLETTO等人［73］采用二次退火結(jié)合表面加工處理后，其疲勞特性與拋光態(tài)的鍛造方式相當(dāng)。另外，研究表明［74-75］，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)Ti-6Al-4V件，結(jié)構(gòu)參量是否合理也影響著其疲勞特性，因此，設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu)也是提高疲勞特性的重要思路。

2.3 生物相容性研究

2.3.1 耐磨性、耐腐蝕性 一直以來，Ti-6Al-4V被認(rèn)為不適合長(zhǎng)期植入體內(nèi)，原因在于Al和V元素長(zhǎng)期植入難免會(huì)受到磨損和腐蝕而析出，引發(fā)炎癥甚至細(xì)胞病變導(dǎo)致相容性下降。同時(shí)植入體的磨損腐蝕行為還影響著植入的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為了研究SLM成形后Ti-6Al-4V的耐磨性和耐腐蝕性能力，BARTOLOMEU等人［76］用實(shí)驗(yàn)對(duì)比了熱壓、鑄造、SLM 3種方式下Ti-6Al-4V的硬度及與Al2O3作用的耐磨性，發(fā)現(xiàn)SLM得到的硬度和耐磨性最高，認(rèn)為快速凝固再結(jié)晶的過程中，大量、細(xì)小的馬氏體組織提高了整體的硬度和耐磨性。同樣，LU等人［77］用實(shí)驗(yàn)對(duì)比了Ti-6Al-4V經(jīng)SLM與鑄造不同方式的摩擦行為，結(jié)果表明，SLM成形方式擁有更高的耐磨性。

然而，其耐腐蝕性能存在一定爭(zhēng)議。表4中列出了不同研究人員對(duì)SLM成形Ti-6Al-4V的腐蝕行為研究結(jié)果?？梢钥闯觯煌囼?yàn)條件和對(duì)比參照物下，SLM成形的Ti-6Al-4V的耐腐蝕性表現(xiàn)出很大的差異，而對(duì)于熱處理前后耐腐蝕性的變化也是結(jié)論不一。

表4 SLM成形Ti-6Al-4V的相關(guān)耐腐蝕性行為對(duì)比研究

此外，由于植入器械的摩擦磨損與腐蝕作用是同時(shí)存在的，TOPTAN等人［83］對(duì)比了商業(yè)、SLM和熱壓樣品在摩擦磨損與腐蝕協(xié)同作用下的抵抗特性，表明三者體積損失無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

上述研究表明，Ti-6Al-4V經(jīng)SLM成形后的耐磨性能優(yōu)于傳統(tǒng)加工路線，但是，Ti-6Al-4V經(jīng)SLM成形后其耐腐蝕性、腐蝕因素及其相互作用機(jī)理尚缺乏深入和系統(tǒng)地研究，沒能形成統(tǒng)一的結(jié)論。

2.3.2 細(xì)胞相容性 細(xì)胞相容性的安全評(píng)估及骨整合性對(duì)于醫(yī)用的Ti-6Al-4V非常關(guān)鍵。為了深入分析SLM成形后Ti-6Al-4V表面化學(xué)成分對(duì)細(xì)胞可能的影響，VAITHILINGAM等人［84］對(duì)比了 SLM磨拋前后與鍛造磨拋處理Ti-6Al-4V的表面化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)SLM表面主要由Ti，Al的氧化物形式存在，而SLM和鍛造經(jīng)拋光處理后表面存在少許V的氧化物，但并沒有影響到細(xì)胞的生長(zhǎng)行為，SLM拋光前后，小鼠細(xì)胞均能高活力生長(zhǎng)。

另外，為了評(píng)估Ti-6Al-4V經(jīng)SLM成形后作為植入物的細(xì)胞相容性和骨整合性，RUI等人［85］通過大樣本動(dòng)物活體實(shí)驗(yàn)，證明了Ti-6Al-4V支架具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性。ZHANG等人［86］對(duì)基于SLM打印的Ti-6Al-4V樣品與標(biāo)準(zhǔn)臨床植入件分別展開了動(dòng)物體內(nèi)、體外對(duì)比實(shí)驗(yàn)。體內(nèi)、體外實(shí)驗(yàn)均表明，基于SLM的打印組比標(biāo)準(zhǔn)植入物組顯示出更好的細(xì)胞粘附、分化水平。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，打印組早期階段表現(xiàn)出更好的骨整合性，如圖6所示。WANG等人［87］研究了SLM退火處理后植入件的生物相容性。體外實(shí)驗(yàn)表明，退火處理與未退火處理兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)象的成骨細(xì)胞都能正常生長(zhǎng)，而經(jīng)退火處理的樣件，成骨細(xì)胞分布更均勻、擴(kuò)散效果更好，如圖7所示。因此，從短期來看，現(xiàn)有SLM成形Ti-6Al-4V并沒有表現(xiàn)出生物不相容和成骨能力弱的問題。

圖6 體內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)照組與SLM打印組骨整合情況［86］

圖7 熱處理與未熱處理體外表面細(xì)胞生長(zhǎng)對(duì)比情況［87］

綜合上述基礎(chǔ)工藝、力學(xué)性能、生物相容性研究結(jié)果可知，由SLM成形的Ti-6Al-4V能實(shí)現(xiàn)較為精確的生產(chǎn)；相關(guān)基本力學(xué)性能經(jīng)適當(dāng)?shù)暮筇幚硎侄魏竽軡M足現(xiàn)有醫(yī)療器械生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，部分力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)加工方式；短期來看，SLM成形Ti-6Al-4V的這種方式，具有良好的綜合耐腐蝕性和耐磨性能力，體內(nèi)、體外實(shí)驗(yàn)均表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性；而長(zhǎng)期來看，是否需要對(duì)器械表面改性仍需長(zhǎng)時(shí)間的考察和實(shí)踐。

3 SLM成形Ti-6Al-4V的醫(yī)療器械應(yīng)用案例

盡管現(xiàn)有增材制造的相關(guān)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)尚未完善，但SLM成形Ti-6Al-4V的力學(xué)性能、生物相容性都已得到研究驗(yàn)證，其獨(dú)特的制造優(yōu)勢(shì)已經(jīng)用于定制式醫(yī)療器械生產(chǎn)，部分已得到了臨床應(yīng)用。

圖8 基于SLM成形的可摘除義齒［89］

圖9 通過加強(qiáng)塊植入重建髖關(guān)節(jié)案例［90］a—術(shù)前CT關(guān)節(jié)圖像 b—術(shù)后隨訪CT關(guān)節(jié)圖像 c—末次隨訪CT關(guān)節(jié)圖像

圖10 3種基于SLM成形多孔通道的載藥結(jié)構(gòu)a—局部載藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) b—整體結(jié)構(gòu)模型［92］

在植入體方面，SLM成形的Ti-6Al-4V被用于牙科義齒、骨科膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、脊椎等關(guān)節(jié)置換和骨組織修復(fù)重建［88］。圖8為L(zhǎng)IU等人［89］通過逆向工程結(jié)合SLM制作出的義齒，與模型匹配誤差為0.2219mm±0.07mm，滿足臨床的適合性。圖9為解放軍總醫(yī)院FU等人［90］公布的11例SLM成形的髖臼加強(qiáng)塊重建重度髖臼骨缺損中的一個(gè)案例。術(shù)后通過隨訪，期間無(wú)脫位、假體周圍感染、假體周圍骨折、再翻修等局部并發(fā)癥發(fā)生。此外，SLM另一個(gè)應(yīng)用潛力是多孔流道的制造，有望能根據(jù)患者實(shí)際情況設(shè)計(jì)制造出特有的載藥結(jié)構(gòu)作為植入體部分控制藥物釋放特性［91］，如圖10所示。COX等人［92］在髖關(guān)節(jié)假體兩端增加了圖10a所示的抗生素釋放結(jié)構(gòu)，能保證長(zhǎng)達(dá)6h的抗菌效果，有效避免了周圍性感染現(xiàn)象。

在器械工具方面，一些導(dǎo)板、接骨板等輔助器械工具分別用于外科手術(shù)的術(shù)前模擬、術(shù)中輔助以幫助制定實(shí)施精準(zhǔn)的治療方案。圖11中舉例了部分用于術(shù)前模擬、術(shù)中導(dǎo)航定位的定制式輔助器械。

圖11 基于SLM成形的Ti-6Al-4V醫(yī)療器械件a—定制式接骨板用于骨連接修復(fù) b—長(zhǎng)通孔輔助器械用于鉆頭定位和冷卻（由廣東漢邦激光科技有限公司提供）

總之，SLM成形的Ti-6Al-4V在醫(yī)用領(lǐng)域已經(jīng)廣泛涉及到復(fù)雜工具器械、植入體生產(chǎn)制造。該技術(shù)基于數(shù)字化設(shè)計(jì)生產(chǎn)的特點(diǎn)及其獨(dú)特的復(fù)雜制造能力，可為患者提供最為精準(zhǔn)的治療方案，在個(gè)性化醫(yī)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語(yǔ)

整體而言，Ti-6Al-4V材料的優(yōu)異特性與增材制造SLM自由設(shè)計(jì)與制造能力的結(jié)合為醫(yī)療器械的生產(chǎn)提供了一種新的解決方案，在創(chuàng)傷外科臨床精準(zhǔn)治療中展現(xiàn)出了其巨大潛力，但現(xiàn)階段在研究和應(yīng)用端仍存在許多需要解決的問題。

（1）研究端：首先，Ti-6Al-4V激光選區(qū)熔化在熱應(yīng)力作用下很難實(shí)現(xiàn)大尺寸制造；其次，在植入體多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，由于人體組織比較復(fù)雜，不同部位的骨骼結(jié)構(gòu)密度存在差異，因此設(shè)計(jì)出親近人體骨組織結(jié)構(gòu)減少應(yīng)力屏蔽效應(yīng)、提高植入穩(wěn)定性和可靠性將始終是研究話題；最后，SLM成形Ti-6Al-4V后的相關(guān)性能檢測(cè)如耐腐蝕性、耐疲勞特性上表現(xiàn)出的不足仍缺乏統(tǒng)一的論述和完善的解決方案。

（2）應(yīng)用端：由于相關(guān)基礎(chǔ)研究有待深入、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚以團(tuán)隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)存在且體系需不斷完善，因此，很大程度上，基于激光選區(qū)熔化成形制造的定制式醫(yī)療器械在應(yīng)用上受到一定限制。

總之，基于SLM技術(shù)生產(chǎn)Ti-6Al-4醫(yī)療器械是一項(xiàng)多學(xué)科融合交叉的工作。只有通過結(jié)合臨床的實(shí)際需要和反饋，不斷地深入基礎(chǔ)研究，以及制定和完善相關(guān)體系和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，使三者有機(jī)結(jié)合，才能把這種新興技術(shù)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致。