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用于医用的3D打印材料有哪些?医用3D打印材料简介
作者:地创三维3D打印机 浏览: 发布日期:2018-11-14 11:24

临床应用中使用的医用金属材料主要包括不锈钢,钴合金,钛合金,形状记忆合金,贵金属和纯金属镧,铈,锆等。

1,不锈钢

不锈钢(不锈钢作为生物医学) 材料是铁基耐腐蚀合金。它是最早开发的生物医学合金之一。它的特点是易于加工和低价格。通过冷加工可以改善耐腐蚀性和屈服强度,以避免疲劳断裂。根据显微组织的不同,不锈钢可分为:奥氏体不锈钢,铁素体不锈钢,马氏体不锈钢,沉淀硬化不锈钢等,用于制造医疗器械:刀具,剪刀,止血钳(图1) ,针,同时,它用于制作人工关节,骨折内固定器,口腔正畸,人工心脏瓣膜和其他设备。其中,最常用的医疗应用是奥氏体超低碳不锈钢316L和317L。1987年,两种合金316L和317L被纳入国际标准ISO。1990年,中国制定了相应的国家标准GB 12417,该标准于1991年实施。

图1医用不锈钢夹具

医用不锈钢的生物相容性和相关问题主要涉及植入人体后由不锈钢腐蚀或磨损引起的金属离子反应。大量临床资料表明,医用不锈钢的腐蚀导致长期植入稳定性差,其密度和弹性模量从人体硬组织相对较大,导致机械相容性差。由于腐蚀会导致金属离子或其他化合物进入周围组织或整个身体,因此可引起体内一些不良的组织学反应,如水肿,感染,组织坏死等,导致疼痛和过敏反应。特别是,由不锈钢中的镍离子沉淀引起的严重损伤(通常奥氏体医用不锈钢含有约10%的镍)。近年来,低镍和无镍医用不锈钢正在逐步开发和应用。

2钴合金

Co基合金作为生物医学材料,也是医疗中常用的金属医疗材料。与不锈钢相比,医用钴合金更适合制造体内条件恶劣的长期种植体,其耐腐蚀性比不锈钢高40倍。开发的第一种医用钴合金是具有奥氏体结构的钴 - 铬 - 钼(Co-Cr-Mo)合金。 20世纪70年代,锻造的钴 - 镍 - 铬 - 铝 - 钨 - 铁(Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe)合金具有良好的疲劳性能和MP35N钴 - 镍 - 铬 - 铝合金多相结构得到了发展。钴合金主要用于制造人工髋关节,膝关节,关节钉,骨板,骨钉和骨针,如图2所示。目前,应用最广泛的是铸造钴铬铝合金,已被接受按ISO5582/4标准。1990年,中国将其纳入国家标准--GB12417。

钴合金在人体内保持被动,腐蚀很少见。与不锈钢相比,钝化膜更稳定,具有更好的耐腐蚀性。从耐磨性的角度来看,它也是所有医用金属材料中最好的。一般认为植入人体后没有明显的组织学反应。然而,由于钴合金价格高,钴合金制成的人造髋关节因金属磨损和腐蚀而被Co和Ni溶解,体内松动率高,沉淀的Co和Ni元素有严重致敏和其他生物问题,很容易导致体内细胞和组织坏死,导致关节疼痛,松动和下沉,应用受到限制。近年来,表面改性技术已被用于改善钴合金的表面性质,有效地改善其临床效果。

3钛合金

钛合金(钛基合金作为生物医学 材料)是最着名的生物亲和金属之一。自20世纪40年代以来,钛和钛合金逐渐在临床医学中得到应用。 1951年,人类开始用纯钛制作骨板和骨螺钉。在20世纪70年代中期,钛和钛合金开始获得广泛的医疗应用,并成为最有前途的医疗材料之一。目前,钛及钛合金主要用于骨科,特别是四肢和头骨的修复。它们用于制作各种内固定装置,人工关节,颅骨和硬脑膜(图3),人工心脏瓣膜,牙齿,牙龈,支撑环和牙冠。其中,最广泛使用的钛合金是TC4(Ti-6A1-4V),它在室温下具有十二β两相的混合结构,并且通过固溶处理可以显着提高其机械性能如强度。老化治疗。

钛和钛合金的密度约为4.5g/cm3,几乎是不锈钢和钴合金的一半。其密度接近人体硬组织,其生物相容性,耐腐蚀性和抗疲劳性优于不锈钢和钴合金。它是目前最好的金属医疗材料。钛和钛合金与人体之间的亲和力来源于植入后致密的氧化钛(TiO2)钝化膜的表面。它具有诱导体液中钙和磷离子沉积形成磷灰石的能力,具有一定的生物活性。与骨结合的能力特别适合植入骨中。钛和钛合金的缺点是硬度低和耐磨性差。如果发生磨损,首先破坏氧化膜,然后磨损的颗粒腐蚀产品进入身体组织,特别是Ti-6Al-4V合金中的有毒钒(V)会导致植入物失效。为了提高钛和钛合金的耐磨性,可以通过高温离子胺化或离子注入处理钛和钛合金产品的表面,以提高表面耐磨性。近年来,一些新的钛合金(主要是β型合金)已经开发出来,所有这些合金都致力于减少对人体有害的元素,如V和Al。 有效地改善了钛合金的生物相容性。

4形状记忆合金

医用形状记忆合金(形状记忆合金作为生物医学 材料)始于20世纪70年代,很快被采用。临床实践中使用最广泛的形状记忆合金是镍钛形状记忆合金。医用镍钛形状记忆合金的形状记忆恢复温度为36±2℃,符合人体温度,临床表现出与钛合金相当的生物相容性。然而,由于镍钛记忆合金含有大量镍,如果表面处理不当,镍离子可能扩散到周围组织中,导致细胞和组织坏死。医用形状记忆合金主要用于整形外科和牙科。镍钛记忆合金应用的最佳实例是自扩张支架,尤其是心血管支架(图4)。

5贵金属和纯金属铋,锑和锆

医用贵金属是指用作生物医学材料的金,银,铂及其合金的总称。贵金属具有良好的生物相容性,抗氧化和腐蚀性强,独特的物理和化学稳定性,优异的加工特性,对人体组织无毒副作用。用作整个牙齿修复体(图5),颅骨修复体,植入电极电子设备,神经修复设备,耳涡流神经刺激设备,膈神经刺激设备,视神经设备和心脏起搏器电极。

铌具有良好的化学稳定性和生理耐腐蚀性。铌的氧化物不被吸收,也不会发生毒性反应。它可以与其他金属结合使用,而不会破坏其表面的氧化膜。在临床上,痰液也具有良好的生物相容性,钽,锆,锆和钛具有非常相似的结构和化学性质,已应用于生物医学领域。它们用作骨板,植入物根,假牙,心血管支架和人造心脏。然而,通常,医用贵金属和诸如镧,铈和锆的金属由于其相对高的价格而在其应用中受到限制。

金属医疗材料的主要问题

金属医用材料已经临床应用,主要问题是生物相容性,这是由金属腐蚀和磨损引起的。由于金属材料含有较多的合金元素,腐蚀和磨损会导致金属离子溶解,导致细胞和组织液的某些生物反应,如组织反应,血液反应和全身反应,其特点是水肿,血栓栓塞,感染和肿瘤。铬和镍离子对人体有敏感反应。当钢中的铬元素呈现六价态时,它对人体也具有更大的毒性和过敏倾向。除了对人体具有高毒性和过敏性外,镍离子还可能诱发生物体甚至癌症的突变。近几十年来,科学中长期存在的“镍过敏和镍致癌问题”并未受到太多关注,日常和医用金属材料中镍含量的限制变得越来越严格。因此,在开发新的医用金属材料时,必须严格控制其中的金属元素,并且优选使用较少或不使用对人体有毒并具有高过敏性能的合金元素。

金属医疗材料的未来发展方向

医生和病人都想使用最好的金属医疗材料。长期安全性和可靠性是医用金属材料的基本要求。因此,未来金属医用材料的发展将继续提高使用的安全性,可靠性和生物相容性。

2.建立金属元素对人体毒性的毒性基础数据库,并利用大数据分析体内和体外金属元素之间的相互关系,以及植入金属材料和人体的分子水平。分子生物学技术用于研究金属元素在分子水平上对人体组织的影响,从而进一步了解金属医疗材料对人体的影响。

3.未来需要进一步扩大金属医用材料的种类,并且需要进一步降低使用成本。虽然金属医疗材料在过去几十年中得到迅速发展,但临床用途仍然有限。因此,研究和开发具有高耐腐蚀性,高耐磨性,高疲劳强度和高韧性的生物合金仍然是重要的。

4.对于目前使用的金属医疗材料,使用新技术和3D打印等新技术完成医疗器械的定制印刷。实际上,患者有不同的条件,医生有不同的手术。每次手术都有自己独特的功能。针对这种不同情况的定制印刷将有利于医生和患者,更有利于手术的成功。

 

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