目前，3d打印技術(shù)已經(jīng)憑借優(yōu)異的可定制性成為醫(yī)療領(lǐng)域的寵兒。而在醫(yī)用材料上一直有著很大限制。醫(yī)用金屬材料用于外科植入物和矯形器械的主要有：不銹鋼、鈷基合金和鈦合金三大類。鈦合金是硬組織植入物臨床使用中最普遍的材料，由于其良好的生物相容性 及機械性能，也成為最理想的顱頜面植入物材料。醫(yī)用鈦板、鈦釘、鈦網(wǎng)等植入物已廣泛應(yīng)用于口腔頜面部外傷后內(nèi)固定及頜面骨組織切除后功能性修復(fù)重建等包括上頜骨、下頜骨、眶壁、顱骨、乳突切除等，也可制作顱骨板用于顱骨的整復(fù)、微孔鈦網(wǎng)修復(fù)損壞的頭蓋骨和硬膜?？谇粌?nèi)制作種植體、個性化基臺、義齒支架、冠橋等鈦合金材料在口腔種植、口腔正畸等領(lǐng)域也有良好的臨床效果。顱頜面硬組織植入修復(fù)體的材料和制備工藝是影響修復(fù)體質(zhì)量的主要因素，也是頜面修復(fù)重建外科手術(shù)成功的關(guān)鍵。

自20世紀(jì)40年代以來，很多學(xué)者開展了鈦生物學(xué)性能相關(guān)性研究，研究涉及材料物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)及先進電子顯微及生化分析等多個學(xué)科。保證鈦合金植入物良好的生物相容性、力學(xué)相容性以及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、工藝等問題是研制開發(fā)外科植入物產(chǎn)品的關(guān)鍵，現(xiàn)將應(yīng)用于顱頜面硬組織鈦合金植入物材料的相關(guān)研究做一簡述如下。

1.顱頜面鈦合金植入常用材料的生物學(xué)性能 

1.1 醫(yī)用鈦合金材料的生物相容性

鈦合金與人體之間相 互作用后產(chǎn)生的各種物理化學(xué)，生物電學(xué)等反應(yīng)或耐受能力，如細(xì)胞毒性、基因毒性、腐蝕性、溶血性、過敏性等 各方面都具有良好的生物相容性，比不銹鋼和鈷基合金都要強。 鈦合金的顯微組織分類有α型（如純鈦系統(tǒng)）、α+β雙相混合型（如Ti6Al4V等）或者β型鈦合金。在進行醫(yī)用鈦合金材料顯微組織分類選型設(shè)計時，合金中的不同的組成元素應(yīng)無不良反應(yīng)。第一代Ti－6Al－4V（TC4）是典型的α+β兩相高溫鈦合金，但此類合金含有V、Al對生物體有毒副反應(yīng)，且臨床應(yīng)用發(fā)現(xiàn)V生物毒性要超過Ni和Cr。第二代是以Nb、Fe替代V的α+β型鈦合金Ti－6A1－7Nb和Ti－5A1－2.5Fe先后在瑞士和德國開發(fā)出并 納入國際生物材料標(biāo)準(zhǔn) 。

第三代低模量化近β型醫(yī)用鈦合金Ti－13Nb－13Zr、Ti－12Mo－6Zr－2Fe（TMZF），Ti －29Nb－13Ta－4.6Zr（TNTZ）等成為全球醫(yī)用鈦合金材料的研究熱點和主攻方向。Ti－13Nb－13Zr是美國1994年研制且第一個被正式列入國際標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)用鈦金。Ti－12Mo－6Zr－2Fe（TMZF）在2000年已被用來制造髖關(guān)節(jié)假體系統(tǒng)的股骨柄。這些新型β鈦合金的彈性模量都比較低，有著良好的生物學(xué)相容性，防止骨密度下降以及降低植入體的失效幾率具有十分重要的意義  。 影響生物相容性的因素有植入物材料類型、器件形態(tài)及其表面形貌、組成、物理化學(xué)性質(zhì)及力學(xué)性質(zhì)等。為了改變生物材料表征和生物學(xué)性能，應(yīng)用不同處理工藝的方式可以在較大范圍內(nèi)控制顯微組織的形態(tài)，進一步提高其生物相容性和成骨性能  。常規(guī)性處理方法大致可分為機械法、物理法、化學(xué)法和電化學(xué)法，包括有噴砂、等離子鈦漿噴涂、羥基磷灰石涂層、微弧氧化、酸蝕或噴砂酸蝕結(jié)合等處理的鈦及鈦合金能夠促進表面類骨磷灰石的形成，縮短骨愈合過程都有利于新骨組織長入形成機械結(jié)合，從而提高植入物與骨組織的結(jié)合強度。

1.2醫(yī)用鈦合金材料的生物力學(xué)相容性

骨與關(guān)節(jié)的替代 物在人體會受到各種的彎曲、擠壓、拉伸、剪切等生物力學(xué) 作用，因此對植入物極高的力學(xué)性能要求。機械性能決定如何選擇一種特殊的應(yīng)用金屬材料類型，其中最重要的屬性是硬度、抗拉強度、彈性模量、耐磨性、疲勞性能、和延伸率等。如果一個骨植入物因強度不足或在骨和植入物之間的力學(xué)性能不匹配，那么這個被稱為生物力學(xué)不相容。鈦合金目前常用兩種方法研究以試圖減少或解決應(yīng)力遮擋現(xiàn)象，獲取良好的生物力學(xué)相容性：其一開發(fā)新型醫(yī)用鈦合金降低鈦合金的彈性模量和提高鈦合金生物活性的研究。α型（含Al及O、N等氣體元素）、β型（含Mo、Nb、Ta、V等）和α+β型三類鈦合金顯微組織類型中的β型可再細(xì)分為近亞穩(wěn)定β合金、亞穩(wěn)定β合金及穩(wěn)定β合金。對合金進行不同的處理控制α相和β相的適當(dāng)比例及分布，形成不同的組織從而改善其力學(xué)性能。

僅僅以一種鈦合金的某一單項力學(xué)指標(biāo)與人體骨組織是否接近或匹配簡單判定其生物力學(xué)相容性的優(yōu)劣是不可取的。若提高鈦合金的強度，其金屬彈性模量、硬度/耐磨性、疲勞強度都將增加，而塑性將會降低。上述矛盾規(guī)律使得在應(yīng)用中有時必須犧牲材料的部分力學(xué)強度來保證其他力學(xué)性能的匹配。例如，Al、V元素對鈦合金的強化非常有效，但降低了材料的塑韌性，又提高了彈性模量，因此醫(yī)用鈦合金應(yīng)避免采用或少量加入。但Zr、Nb、Ta、Mo、Hf、Sn等元素能夠使鈦強化而對塑韌性不利影響較小，同時有利于降低 鈦合金的彈性模量，可以優(yōu)選加入 。 其二可以改變修復(fù)體內(nèi)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計制備多孔鈦可以降 低彈性模量或剛度 。作為顱頜面植入物的Ti－6A1－4V合金多以致密態(tài)用來制備醫(yī)用產(chǎn)品，然而致密Ti6－Al4－V 彈性模量110GPa而天然皮質(zhì)骨從0.5GPa到20GPa 。

從生物力學(xué)相容性的角度來說，大量臨床研究表明，傳統(tǒng)的金屬植入材料的生物力學(xué)相容性較差，與骨組織的力學(xué)性能不匹配，與所替代的硬組織之間的界面結(jié)合力較弱， 最終導(dǎo)致植入體松動或自體骨斷裂 。設(shè)計及制備一種具有三維孔隙結(jié)構(gòu)的鈦合金等新植入物技術(shù)的應(yīng)用及其性能的研究發(fā)現(xiàn)，孔隙的存在對植入物的性能有以下幾個方面的改善 。

（1）金屬植入物的密度、強度和彈性模量可以 通過對孔徑、孔隙率的大小來調(diào)整來達到力學(xué)相容性，避免植入體周圍的骨壞死，新骨畸變及其承載能力降低；

（2）三維貫通的網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)及粗糙的內(nèi)外表面有利于成骨細(xì)胞在其表面具有很強的粘附、分化和增殖潛能，能夠形成垂直性的骨愈合，實現(xiàn)植入物與骨的生物固定。除上述提到的組成、結(jié)構(gòu)可以影響到材料的性能外，鈦合金的制造和加工工藝同樣也可以在比較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。

2.顱頜面鈦合金個性化植入物加工工藝性能 

鈦合金具有優(yōu)異的性能，因此需要各種成型方法來將 其加工成為滿足要求的特定形狀。顱頜面醫(yī)用鈦合金植入物可采用精密鍛造工藝、軋制型材工藝制備、真空熔模精密鑄造工藝等減材制造方法制備，熱等靜壓工藝可以消除合金鑄件內(nèi)部疏松組織，使合金性能得到改善。由于顱頜面骨結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對于其缺損畸形的修復(fù)體設(shè)計制造一直是個研究的難點，采用計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助數(shù)值模擬技術(shù)（CAE），增材制造技術(shù)（AM：AdditiveManufacturing）等制備，可以保證最終修復(fù)體與顱頜面骨復(fù)雜的外部形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)精確控制。

基于電子束或激光的快速原型3D打印技術(shù)可以根據(jù)任意復(fù)雜的三維CAD模型設(shè)計來直接獲得各種內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)和不同孔隙度的三維網(wǎng)狀多孔鈦合金植入物，生物學(xué)表面粗化更為合理，工藝更為可靠。且能夠通過精確設(shè)計制備網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)單元及網(wǎng)孔大小、空間分布、外形形狀等，進而調(diào)整其力學(xué)性能，達到與人體硬組織力學(xué)性能相匹配，實現(xiàn)個性化制造。 增材制造技術(shù)，又叫3D打印技術(shù)。應(yīng)用包括上、下頜骨等顱頜面不同程度的缺損重建中成為3D金屬打印技術(shù)制備個性化植入物的主要目標(biāo)。用于直接制造鈦合金植入物的3D金屬打印技術(shù)主要有：電子束熔化（ElectronBeamMelting，EBM）、選區(qū)激光熔化（Se-lectiveLaserMelting，SLM）等。這兩種方法已經(jīng)引起極大的關(guān)注，因為他們提供準(zhǔn)確控制內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的形狀。3D打印制造鈦合金技術(shù)之所以難度大，是因為金屬的熔點比較高，涉及到了金屬的固液相變、表面擴散以及熱傳導(dǎo)等多種物理過程。需要考慮的問題還包括，鈦合金成型后的晶體組織是否良好、整個試件是否均勻、內(nèi)部雜質(zhì)和孔隙的大小等等。另外，快速的加熱和冷卻還將引起試件內(nèi)較大的殘余應(yīng)力。 

電子束熔化技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的以電子束為能量源，計算機系統(tǒng)控制電子通過對金屬粉末進行選區(qū)熔化和鋪粉再熔化，整個加工過程是在真空環(huán)境下進行的。Ti－6Al－4V合金在制備過程中成型腔溫度保持在626～700℃，使得合金有較好的顯微組織形態(tài)和力學(xué)性能的匹配。其優(yōu)點在于較高的溫度使得制備的合金處于去應(yīng)力退火狀態(tài)，消除零件的殘余應(yīng)力；保證了合金顯微組織的均勻性；使得零件的合金成分更純凈，降低氧含量；減少了馬氏體相的生成。

英國的Al－Bermani、Blackmore等學(xué)者利用ArcamS12型EBM設(shè)備制備出Ti－6Al－4V合金，并對合金的顯微組織、織構(gòu)和力學(xué)性能進行了深入研究。美國學(xué)者Bass對EBM法制備的Ti－6Al－4V合金顯微組織和力學(xué)性能進行了研究，指出合金具有良好的力學(xué)性能，用此種方法制備的合金拉伸性能與傳統(tǒng)方法制備的合金具 有可比性 。美國的Koike和Joshi等學(xué)者利用ArcamA2型EBM設(shè)備制備了用于牙科植入的Ti－6Al－4VELI合 金，并對合金進行了拉伸測試和疲勞測試 。美國的Murr等對EBM法Ti－6Al－4V合金的組織和力學(xué)性能進行 了研究，并與鍛態(tài)的Ti－6Al－4V合金進行對比。研究論證了利用EBM法可制備出與鍛態(tài)合金強度和塑性相當(dāng)?shù)腡i－6Al－4V合金，并可應(yīng)用于醫(yī)療植入件的制備。

另有國內(nèi)外學(xué)者對EBM法Ti－6Al－4V合金多孔材料進行了壓 縮性能測試和疲勞測試。臨床首例應(yīng)用EBM制造的下頜骨于2011年成功為一個83歲的女性植入體內(nèi)。大多數(shù)定制的鈦種植體都是通過機械加工，鑄造、鍛造等制備工藝完成，而直接金屬制造例如EBM優(yōu)于這些技術(shù)，因為它不只有直接改變植入物的表面形貌，還可以根據(jù)計算機輔助設(shè)計文件制造具有特定的形狀和結(jié)構(gòu)植入物。用EBM制造植入物替代傳統(tǒng)的銑削和車削是經(jīng)濟可行已在Cronskr等研究中討論過。

選區(qū)激光熔化技術(shù)是1995年德Fraunhofer研究所提出的利用金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化、經(jīng)冷卻凝固而成型的一種技術(shù)。SLM技術(shù)現(xiàn)已被驗證能夠成功應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)鈦合金制造，可以成型實體材料，也能夠根據(jù)要求獲得可控孔隙率及對應(yīng)抗壓強度的多孔材料。德國基爾大學(xué)的WarnkePH等運用LDH，MTT，BrdU和WST等典型方法測試了SLM成型Ti－6Al－4V支架的孔隙大小對 其生物相容性和抗壓性能的影響 。

3.總結(jié)

作為外科植入件要求植入的鈦合金材料在長期生理環(huán) 境中具有良好的生物相容性及力學(xué)相容性，是確保在體內(nèi)長期安全穩(wěn)定服役并發(fā)揮治療效果重要因素。除了需要嚴(yán)格設(shè)計和選擇無不良反應(yīng)的合金添加元素并保證材料冶金及加工質(zhì)量外，對其內(nèi)部顯微組織、微觀結(jié)構(gòu)進行控制和對材料表面狀態(tài)改性、優(yōu)化處理也是重要技術(shù)手段。 對顱頜面用鈦金屬植入材料的研究還包括：

（1）改進現(xiàn)有的和開發(fā)新的表面活化方法，提高植入材料的耐磨性和耐蝕性等性能，進一步提高鈦合金材料與顱頜面硬組織的相容性；

（2）個性化定制三維網(wǎng)狀植入物設(shè)計及制備。

關(guān)于顱頜面硬組織修復(fù)及替換材料三維網(wǎng)狀鈦合金植入物的3D金屬打印研究是一個交叉多學(xué)科的綜合領(lǐng)域，需要醫(yī)工加強交流，下一步的研究趨勢為：

（1）不同顱頜面缺損部位CT掃描數(shù)據(jù)，逆向工程CAD再建模后設(shè)計三維多孔結(jié)構(gòu)植入物的個體化設(shè)計；

（2）在網(wǎng)狀狀結(jié)構(gòu)設(shè)計中，基于生物力學(xué)模擬分析仿生設(shè)計提出網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)及分布達到應(yīng)有足夠的剛度和強度，解決應(yīng)力屏蔽問題，同時具有一定的強度以滿足承力需要，保證其被植入人體體內(nèi)后不會發(fā)生變形破壞；

（3）體外實驗力學(xué)及體內(nèi)植入實驗的研究所得數(shù)據(jù)信息，對網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦合金的孔隙參數(shù)、力學(xué)性能及內(nèi)外表面狀態(tài)進行調(diào)整，加快其在臨床植入的應(yīng)用進程；

（4）3D金屬打印技術(shù)應(yīng)用于三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)鈦合金支架結(jié)構(gòu)制造，克服了傳統(tǒng)制造方法中存在的支架復(fù)雜外形制造困難和內(nèi)部微結(jié)構(gòu)無法控制的缺陷，不受支架幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的限制，對制造的支架的孔徑、孔隙率以及孔隙率和微觀結(jié)構(gòu)的分布進行控制。而且還可以通過有限元分析預(yù)先支架的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以實現(xiàn)改善支架機械強度等某些特殊要求。