1、引言

3D打印又稱增材制造(Additive Manufacturing, AM)，其思想在19 世紀(jì)首次被提出，但真正有一個質(zhì)的飛越是在20 世紀(jì)80 年代。2010 年，報(bào)道稱美國公司的3D生物打印機(jī)，已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)20μm的打印精度，能夠打印出多種人體組織和器官[1]。發(fā)展至今，3D打印已經(jīng)能制造一定精度的產(chǎn)品，并逐漸被廣泛使用[2]。由于其強(qiáng)大和高效的工業(yè)制造能力，3D打印成為了最具前途和革命性的技術(shù)之一[3]。金屬3D打印出現(xiàn)，解決了很多醫(yī)用領(lǐng)域的難題，備受追捧[4]。在醫(yī)療領(lǐng)域，該技術(shù)在人工骨的制備上也發(fā)揮了極大的價值。人工骨材料被植入人體，用于修復(fù)骨缺損，直接與人體組織直接接觸，替代缺損骨骼實(shí)現(xiàn)正常骨骼的功能，所以其必須符合醫(yī)用材料的使用要求[5]。TC4鈦合金，也稱5級鈦(Ti-6Al-4V)，是鈦合金的一種，它因具有優(yōu)秀的力學(xué)強(qiáng)度、耐腐蝕性能、生物相容性等，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，常被作為人工骨材料，植入人體治療骨缺損[6] [7]。遺憾的是，致密的TC4鈦合金彈性模量仍然過高，作為骨科植入物時，高于人骨的彈性模量會帶來“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)，造成植入物周圍骨組織流失，最終導(dǎo)致植入物失效[8] [9]。TC4鈦合金的另一個關(guān)鍵的缺點(diǎn)是表面缺乏生物活性，作為人工骨植入骨組織，與自然骨的骨結(jié)合不夠穩(wěn)固，容易在承受載荷的時候造成松動[10]。松動對人工骨來說是嚴(yán)重的，它會導(dǎo)致種植體的失敗。致密鈦合金的缺點(diǎn)導(dǎo)致這種優(yōu)良的金屬材料被限制使用。然而目前沒有發(fā)現(xiàn)更完美的替代材料，于是研究人員們一直在致力于更正TC4鈦合金的缺點(diǎn)，并繼續(xù)使用它。為了降低鈦合金產(chǎn)品的彈性模量，并一定程度上改善其生物活性，人們提出了多孔結(jié)構(gòu)的鈦合金材料，該方法被很多學(xué)者證實(shí)確實(shí)行之有效[11] [12]。多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)補(bǔ)償了TC4鈦合金一部分缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的制造工藝，制造孔隙率可控的多孔結(jié)構(gòu)仍然困難，3D打印的出現(xiàn)使人們看到新的希望，但目前該技術(shù)仍面臨著產(chǎn)品質(zhì)量不夠理想、產(chǎn)品性能令人擔(dān)憂等有待解決的問題和挑戰(zhàn)。本文主要從3D打印的TC4鈦合金的優(yōu)勢、產(chǎn)品質(zhì)量、機(jī)械性能、生物相容性、生物安全性、耐腐蝕性能和表面改性進(jìn)行綜述，并引用多例臨床使用的3D打印制造的TC4鈦合金人工骨的治療效果進(jìn)行舉證，以說明3D打印TC4鈦合金人工骨的可行性。

2、3D打印醫(yī)用鈦合金的優(yōu)勢

在 3D打印技術(shù)出現(xiàn)以前，傳統(tǒng)的醫(yī)用領(lǐng)域的TC4鈦合金產(chǎn)品的制造方式大多是通過減材制造的方式生產(chǎn)。對于批量生產(chǎn)的TC4鈦合金件，減材制造更加快速，且成本低。但是對于人工骨，不需要批量制造，因?yàn)樗男枰莻€性定制。對于制造復(fù)雜、不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的加工方式受到很大的限制，而且對非標(biāo)、非批量需求的產(chǎn)品，傳統(tǒng)的制造技術(shù)制造的成本高。在醫(yī)用領(lǐng)域，制造人工骨結(jié)構(gòu)，減材制造的方式不具備成本優(yōu)勢，3D打印技術(shù)則可在較大程度上解決相關(guān)問題。將鈦合金種植體制造成多孔結(jié)構(gòu)能降低種植體的彈性模量，進(jìn)而降低由于彈性模量不匹配而引起的“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)[13] [14]。“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)是一種缺點(diǎn)，會促進(jìn)的植入物周圍的骨流失，骨流失會導(dǎo)致種植體的失敗[15] [16] [17] [18]。李、鄭、孫等學(xué)者[19] [20] [21]認(rèn)為，表面具有多孔結(jié)構(gòu)的TC4鈦合金，還能一定程度上改善表面的生物活性，更適合成骨細(xì)胞的增殖分化，骨整合能力更佳。而比起減材制造，增材制造制備孔隙可控的多孔鈦合金件更加簡便[22]，簡便的工序必將帶來成本優(yōu)勢。

3、3D打印醫(yī)用鈦合金人工骨的性能

3.1. 產(chǎn)品質(zhì)量

先進(jìn)的加工工藝，首先需要解決的是產(chǎn)品的質(zhì)量問題。在醫(yī)用領(lǐng)域，3D打印的TC4鈦合金人工骨，根據(jù)設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行制造，產(chǎn)品的各個尺寸的誤差必須在可接受的范圍內(nèi)。在以往的研究中[23]，有的學(xué)者嘗試?yán)眠x擇性激光熔融技術(shù)(Selective Laser Melting, SLM)制備具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的TC4鈦合金下頜骨，產(chǎn)品的孔互聯(lián)良好，結(jié)構(gòu)無斷裂裂紋缺陷，孔隙率可控，產(chǎn)品質(zhì)量良好；當(dāng)將打印模型設(shè)計(jì)成鉆石分子的結(jié)構(gòu)，小孔結(jié)構(gòu)0.2 mm，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)雖然存在一定的制造誤差，輪廓依然清晰；成品表面由于覆蓋球狀半熔融金屬顆粒，表面形貌凹凸不平。這些表面問題對3D打印技術(shù)來說似乎是難以避免，粗糙的表面造成了產(chǎn)品誤差。3D打印的TC4鈦合金產(chǎn)品，如果不經(jīng)過任何處理，直接用于部件之間的裝配，可能由于幾何尺寸和表面光潔度偏差大，造成裝配效果糟糕。解決的問題是在后處理中進(jìn)行拋光，然而拋光增加了成本，拋光過程難以控制拋光的厚度，使產(chǎn)品的尺寸出現(xiàn)不可控的精確度問題。產(chǎn)品出現(xiàn)的表面粗糙問題在部分醫(yī)用植入領(lǐng)域被認(rèn)為可以接受。在馮等人[24]的研究中顯示，3D打印的粗糙表面的種植體，更利于組織細(xì)胞的附著。雖然在其他方面粗糙表面可能會被限制使用。在臨床的實(shí)際使用中，見有報(bào)道利用3D打印成型的骨盆關(guān)節(jié)、骶骨、顱骨、足踝、關(guān)節(jié)假體、畸形矯正器和胸骨等，3D打印

均能快速成型，并植入人體需要的部位，與自然骨配合很好，均達(dá)到較理想的治療效果[25] [26] [27] [28][29]。雖然以上3D打印產(chǎn)品尺寸的具體偏差并未表明，但是證據(jù)已能夠表明3D打印的鈦合金產(chǎn)品質(zhì)量已能滿足部分臨床使用的要求。

3.2. 機(jī)械性能

用于骨骼修復(fù)的TC4鈦合金人工骨，通常被運(yùn)用在必須承重的骨骼部位，需要能承受一定的載荷，所以要求TC4鈦合金人工骨必須具有足夠的機(jī)械性能。已有的研究[30]發(fā)現(xiàn)，3D打印的TC4鈦合金件的機(jī)械性能并非都是一致的，不一樣的工藝參數(shù)，會使產(chǎn)品的機(jī)械性能產(chǎn)生差異，良好的機(jī)械性能取決于合適的工藝參數(shù)[31]。張等人[32]研究3D打印的TC4鈦合金口腔修復(fù)產(chǎn)品的機(jī)械性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3D打印完成的試件，未經(jīng)過任何處理，它們的維氏硬度值在372.93~428.46 HV 的范圍，高于傳統(tǒng)制造方式生產(chǎn)的TC4鈦合金的維氏硬度值[33]。抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為1821.7 ± 146.2 MPa、1355.9 ± 109.7 MPa和31.3 ± 1.8%，機(jī)械性能保持著良好的狀態(tài)，能滿足相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)[34]。3D打印金屬材料的過程不同于傳統(tǒng)的制造方法，它常使原材料經(jīng)歷著加熱–融化–冷卻的過程，并不斷在金屬分層重復(fù)這一過程，熔融后的金屬粉末，由于冷卻速率快速，會導(dǎo)致力學(xué)性能和幾何尺寸缺陷[35]。對于竣工后的產(chǎn)品進(jìn)行熱處理，被認(rèn)為是提高3D打印后的TC4鈦合金力學(xué)性能和幾何質(zhì)量的有效方法[36]。吳等人[37]對3D打印后進(jìn)行熱處理的TC4鈦合金件進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試，結(jié)果顯示它們的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率等機(jī)械性能均優(yōu)于傳統(tǒng)制造方式的同類產(chǎn)品(表1)，它們的耐磨損性能甚至高于天然牙齒的牙釉質(zhì)(表2)，對其進(jìn)行拉伸斷裂的斷口進(jìn)行掃描電鏡(SEM)表征發(fā)現(xiàn)，它們斷裂形式屬于韌性斷裂(圖1)，證明其塑性良好。其他的報(bào)道中[38]，研究人員稱利用SLM 技術(shù)制備的接骨板經(jīng)過簡單的熱處理后其硬度高于鈦合金鑄件，極限拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率均滿足常規(guī)鈦合金的力學(xué)要求。在朱、張等人[39] [40] [41] [42]的研究中，發(fā)現(xiàn)3D打印制造的TC4鈦合金產(chǎn)品，經(jīng)過一系列的后處理，在密度、強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度等指標(biāo)均可以與傳統(tǒng)方法制造的鈦合金件媲美甚至更優(yōu)。另一項(xiàng)研究中[43]，利用3D打印制備孔徑約為400 μm 的TC4鈦合金支架，其極限抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均較致密結(jié)構(gòu)的TC4鈦合金材料有所下降，但接近人骨的力學(xué)性能，滿足人骨植入物的力學(xué)性能要求。在臨床使用的案例中[44]，有多例患者使用了3D打印TC4鈦合金重建脊柱，治療因疾病造成的骨缺損，治療效果很好，在隨訪期間植入物并未發(fā)生斷裂等機(jī)械失效。

由此可見3D打印TC4鈦合金產(chǎn)品可以滿足人工骨材料的要求。

3.3. 生物相容性

醫(yī)用鈦合金作為人體組織的替代物植入人體，與人體組織形成結(jié)合，須在人體內(nèi)不產(chǎn)生排異反應(yīng)，所以新型工藝制備的鈦合金生物相容是評價其能否替代傳統(tǒng)工藝的另一個重要的指標(biāo)。在植入動物體進(jìn)行3D打印TC4鈦合金件的生物相容性評估時，學(xué)者們嘗試過將3D打印制備的蜂窩狀多孔TC4鈦合金支架、TC4牙種植體、骨干，植入兔、犬等動物體，結(jié)果都指明了其在動物體中的骨結(jié)合很穩(wěn)固，并未出現(xiàn)植入物周圍組織粘連、充血、水腫、壞死等令人擔(dān)憂的現(xiàn)象[45]-[50]。作為進(jìn)一步驗(yàn)證，臨床使用的案例研究中，學(xué)者們記錄和研究了臨床一些真實(shí)病人使用3D打印技術(shù)制備的TC4鈦合金產(chǎn)品，植入手臂(圖2) [51]、肩關(guān)節(jié)(圖3) [52]、頸椎骨[53]、脛骨[54] [55]、下頜骨等[56]部位，在研究期間發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)制備TC4鈦合金人工骨具有較強(qiáng)的組織結(jié)合能力，且軟組織能牢固的附著于材料表面，其中所有患者沒有出現(xiàn)因假體的植入造成感染和排異反應(yīng)。所以我們認(rèn)為3D打印制備的鈦合金人工骨具有良好的生物相容性。

3.4. 生物安全性

3D打印制備作為新型工藝，制備的人工骨材料，是否會對細(xì)胞具有毒性，或者是否會增加植入物感染等問題，也已被學(xué)者們進(jìn)行驗(yàn)證。已有報(bào)道稱在景、王、李等人[57] [58] [59] [60]的研究中，3D打印制備的TC4鈦合金對體外成骨細(xì)胞的體外增殖和分化沒有不良影響，沒有細(xì)胞毒性。王、肖等學(xué)者[61] [62] [63]研究得出3D打印制備的鈦合金種植體，對動物體不具有亞慢性全身毒性，對動物組織細(xì)胞無毒副作用，在動物體內(nèi)不會發(fā)生明顯的材料磨損脫落。在臨床上，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)3D打印制備的TC4鈦合金種植體生物安全性能良好，在多例病例中，病人下頜骨(圖4，A 為術(shù)前照片，B、C 為術(shù)中照片，D 為術(shù)后照片) [64] [65]、胸骨[66]、顱骨[67]、股骨[68]、脊椎[69]等重要部位植入3D打印的鈦合金產(chǎn)品，重建缺損部位，結(jié)果，大部分病人術(shù)后傷口愈合良好，研究的病例中僅有小部分病人發(fā)現(xiàn)植入物周圍感染，感染病人比例在正常范圍內(nèi)，并未發(fā)現(xiàn)病例因?yàn)橹踩氩牧媳旧硪鸬母腥尽＿@些證據(jù)表明3D打印的鈦合金件生物安全性是可靠的。

3.5. 耐腐蝕性能

鈦及其合金因其良好的耐腐蝕性能而聞名。然而鈦的耐腐蝕，并非該金屬具有高度不活潑的性質(zhì)，實(shí)際上，鈦是一種較活潑的金屬元素，使鈦合金耐腐蝕的是它表面的二氧化鈦鈍化膜。氧化的二氧化鈦覆蓋于鈦合金表面形成致密的薄膜，使鈦合金鈍化從而阻止金屬進(jìn)一步腐蝕，達(dá)到抗腐蝕的功能[70] [71][72]。耐腐蝕性能的保持對種植體的機(jī)械性能和生物相容性的影響會種植體的整個使用壽命，過快的腐蝕會導(dǎo)致植入物過早的失效。作為一種先進(jìn)的智能制造技術(shù)，3D打印的TC4鈦合金的耐腐蝕性能是否與傳統(tǒng)工藝制備的TC4鈦合金件一樣，是否能滿足臨床對此類金屬材料的腐蝕行為的要求一樣至關(guān)重要。

由于制造工藝的不同，馬等學(xué)者[73]發(fā)現(xiàn)，3D打印制備的TC4鈦合金件的耐腐蝕性能明顯差于鍛造等傳統(tǒng)工藝制備的同種鈦合金。造成腐蝕性差的原因可能是，由于3D打印的鈦合金產(chǎn)品表面較粗糙導(dǎo)致，經(jīng)過進(jìn)一步的表面處理可以提高耐腐蝕性，解決這一問題，在J Fojt、白等學(xué)者[74] [75]的研究中已證實(shí)了這一觀點(diǎn)。然而對于人工骨材料，粗糙的表面可能更適用，拋光處理后耐腐蝕性能增強(qiáng)，帶來的是生物活性變差。由此可見，3D打印的TC4鈦合金如果不經(jīng)過后續(xù)的表面修改處理，其耐腐蝕性能會明顯變差，但是可能帶來的是更好的生物活性，兩者應(yīng)該權(quán)衡取舍。上述的臨床案例并未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在壽命內(nèi)由于腐蝕嚴(yán)重導(dǎo)致的失效。由此可見3D打印的TC4鈦合金的耐腐蝕性并非難以接受，或者可以選擇表面修飾進(jìn)一步補(bǔ)償耐腐蝕性能的不足。

4、3D打印鈦合金的表面改性

與傳統(tǒng)的加工工藝類似，3D打印技術(shù)只是改變了材料的加工的方式，并沒有從根本上改變材料的性質(zhì)。

所以 3D打印鈦合金產(chǎn)品中，鈦合金材料本身缺點(diǎn)依然存在.仍需要進(jìn)行進(jìn)一步的表面修飾。借鑒對常規(guī)加工的鈦合金表面改性的策略，可以選擇對3D打印鈦合金進(jìn)行機(jī)械改性、化學(xué)改性和復(fù)合材料[76] [77] [78]。

對用植入鈦合金，常用的機(jī)械改性的方法如表面噴砂、激光雕刻紋理等。噴砂和激光雕刻的目的是在鈦合金件表面制造凹凸地形。已有的研究顯示[79]，凹凸地形的鈦合金表面具有一定的生物活性，能帶來更好的骨結(jié)合，并且不會對材料的力學(xué)性能和生物安全性帶來很大的影響，屬于較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的表面改性方法。

常用的化學(xué)改性的方法有酸蝕、堿蝕、堿熱處理、表面氧化等，這樣的方式也是為了在TC4鈦合金表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成生物活性更好、耐腐蝕性能更強(qiáng)的物質(zhì)[80]。酸蝕、堿蝕能進(jìn)一步制造不規(guī)則的分層微、納米的多孔結(jié)構(gòu)，并且在改性鈦表面生成生物活性更強(qiáng)耐腐蝕性能更好的TiO2，達(dá)到增強(qiáng)其表面的生物活性的同時提高材料的耐腐蝕性能[81] [82]。酸蝕和堿蝕的方法常常在噴砂后進(jìn)行，這樣做的目的既能清理鈦合金表面殘留的砂粒，又能將噴砂造成的粗糙表面進(jìn)一步活化。復(fù)合材料的方法是在鈦合金件表面復(fù)合一 層具有特殊功能的材料，能達(dá)到改善鈦合金的耐腐蝕性、耐磨性、生物活性、抗菌性能等(圖5，A 和D、B 和E、C 和F 分別對應(yīng)的是改性前的鈦合金、利用水熱法在鈦合金表面制備Ca、P、O 涂層的改性鈦合金、利用微弧氧化在鈦合金表面制備Ca、P、O 涂層的改性鈦合金。G 為骨向種植體內(nèi)生長的定量分析，H為骨與種植體接觸的定量分析。更多的骨向內(nèi)生長和更多的骨與種植體接觸面積，證明對應(yīng)材料的生物活性更好。) [83] [84] [85]。復(fù)合材料常以涂層的方式涂覆于鈦合金基體表面，它常常使改性鈦合金兼具鈦合金本身優(yōu)異的性能和表面復(fù)合的材料的性能。常被用于復(fù)合在鈦合金基體表面，用于提高改性鈦的生物活性的材料有磷酸鈣、聚多巴胺等生物活性更好的材料。磷酸鈣優(yōu)秀的骨誘導(dǎo)性能已得到廣泛的認(rèn)可。在已有的研究中[86] [87] [88] [89]，通過在鈦合金表面復(fù)合磷酸鈣、聚多巴胺等生物活性更好的材料，確實(shí)在一定程度上改善了改性鈦合金的生物活性。為更大限度的賦予涂層神奇的功能，可以在涂層中摻入一些金屬元素，使涂層具有抗菌、更強(qiáng)的生物活性的功效。其中，銀、鍶、鋅常被作為涂層的摻雜成分。TC4鈦合金種植體常由于不具備抗細(xì)菌感染的能力，這種功能的缺失會容易在進(jìn)行種植手術(shù)時發(fā)生細(xì)菌感染，造成植入手術(shù)的失敗，于是具有抗菌性能的復(fù)合涂層展現(xiàn)出了巨大的潛力。銀是一種天然的抗菌元素，有報(bào)道稱[90] [91] [92]，在他們的研究中，在TC4鈦合金表面復(fù)合摻雜銀和鍶的羥基磷灰石涂層，使改性TC4鈦合金具有優(yōu)異的抗菌性能，同時擁有良好的生物活性。眾多的表面改性的效果表明，3D打印的TC4鈦合金人工骨，通過表面改性的方法，克服產(chǎn)品的缺點(diǎn)，具有巨大的前途。

5、總結(jié)和展望

3D打印技術(shù)因特有的優(yōu)勢，在非批量生產(chǎn)方面較傳統(tǒng)的制造工藝成本低，且能針對個性化進(jìn)行精準(zhǔn)加工，符合醫(yī)療學(xué)植入物的迫切需求。作為新型的加工工藝，3D打印的產(chǎn)品還不能完全被人們認(rèn)知和接受。上述大量的學(xué)者研究足以證明，3D打印的TC4鈦合金在產(chǎn)品質(zhì)量、機(jī)械性能、生物相容性、生物安全性和耐腐蝕性等方面的性能已能滿足部分使用要求。產(chǎn)品在一些臨床植入病人的案例中也顯示出了可喜的療效。說明3D打印TC4鈦合金人工骨完全可行。至今，3D打印的TC4鈦合金產(chǎn)品還存在一些尚未克服的問題，如產(chǎn)品精度仍然很有限、產(chǎn)品表面不光潔等。如果能完全解決上述的技術(shù)問題，3D打印將顛覆以往常規(guī)的加工方法，并刷新對TC4鈦合金人工骨的認(rèn)識。所以今后3D打印研究的重點(diǎn)可以放在提高加工精度和表面光潔度上。隨著3D打印技術(shù)和表面改性技術(shù)的進(jìn)步，優(yōu)化性能之后的TC4鈦合金人工骨將重新被人們考慮。3D打印全面取代傳統(tǒng)的制造工藝，進(jìn)行TC4鈦合金人工骨的制備，并非危言聳聽！

利益沖突聲明

作者聲明本文無利益沖突。

基金項(xiàng)目

本文由成都市醫(yī)學(xué)科研課題(2021043)，四川省教育廳高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項(xiàng)目(JG2021-1102)，教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目(202101011010)，成都大學(xué)CC 國家眾創(chuàng)空間2021 年度創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育專項(xiàng)課題(ccyg202101008)， 四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(S202111079028 ，S202111079043X，S202111079095，S202111079124X，S202111079041)，成都大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(CDUCX2022604，CDUCX2022600)資助。

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