华中科技大学成功研发3D打印多孔钴铬合金支架颞下颌关节植入物

lydiazhang 2016-12-08 09:31:54

3D打印是基于材料逐层堆积原理的无模具制造方法，可成形复杂的零部件外形及内部的多孔结构，通过数字化的设计手段多孔结构的形状、尺寸、孔隙率等参数都是可以控制的。在3D打印的轻量化零部件中常会看到多孔结构的身影，它们虽然”一身轻“，但通过结构设计同样能够实现优异的力学性能。

3D打印多孔结构还可以应用在支架植入物的制造领域，与传统的实心植入物相比3D打印多孔支架有哪些优势和劣势?劣势通过什么样的方法进行弥补?

华中科技大学研发的3D打印多孔支架是一种颞下颌关节植入物。颞下颌关节植入物是人每天使用最多的关节之一，一旦人们受到关节强直、外伤、肿瘤等疾病的困扰，常常造成颞下颌关节的形态缺陷和功能丧失，说话和咀嚼吞咽功能将受到严重影响，给患者带来严重的生理和心理创伤。置换人工颞下颌关节是治疗这些疾病的重要方法，但由于颞下颌关节本身形态结构和生理功能的复杂性给其人工关节的置换手术和重建带来了巨大的挑战。

华中科技通过SLM 金属3D打印技术和钴铬合金(Cobalt-chromium,Co-Cr)3D打印粉末材料，制造了具有多孔结构的个性化颞下颌关节支架植入物。该植入物由体心立方单元堆积而成，在体心立方单元中包括一个中心节点、八个顶点和八根支柱，八根支柱分别从中心节点向八个顶点呈放射状延伸。多孔支架植入物外形为类圆柱体，构成单元的支柱直径为200μm，孔隙率86%。

那么，将支架植入物设计为多孔结构是出于什么样的原因呢?钴铬合金材料的耐磨性能优于钛合金，但是用钴铬合金材料制造的传统实心植入物由于模量过高，会产生应力遮蔽效应，这将造成植入物在植入后的远期出现松动，而通过多孔结构的设计能使植入物达到与人骨所匹配的弹性模量。

除此以外，多孔支架植入物主要是通过插入骨髓腔让周围骨长入孔隙和/或辅助以固位钉来实现固定，这种设计比传统实心的植入物相比表面积显著增加，更有利于骨长入。然而表面积的增加也会产生容易发生术后感染这样的弊端，唯有解决这样的弊端才能使钴铬合金多孔支架植入物有望在大面积骨缺损修复领域获得应用。

华中科技大学的所采用的方法是运用改良的电沉积方法在SLM成形的多孔支架内外表面进行厚度均匀且连续完整的构建出丝素蛋白和庆大霉素复合超薄涂层，涂层的结合强度可以满足手术需要，防止剥脱。

这种抗菌涂层及电沉积方法适用于3D打印钴铬合金多孔支架等具有内部复杂孔隙的植入物表面改性，制备方法不受基体材料大小和形状限制，而且涂层溶质可以进入多孔支架的内部，使得在多孔支架内部表面构建涂层成为可能，有助于改善多孔假体易术后感染的缺点，达到进一步提高3D打印多孔支架植入物应用范围的目的。