3D打印醫(yī)療器械③ | 3D打印骨科金屬植入物的這些發(fā)展優(yōu)勢，你知道嗎？

3D打印技術(shù)由于能夠根據(jù)患者需求個性化地定制植入物形狀，并且可精確控制植入物的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)植入物外形和力學(xué)性能與人體自身骨的雙重適配，在骨科植入醫(yī)療器械領(lǐng)域備受青睞，發(fā)展迅猛。3D打印骨科植入物的金屬原材料研究主要集中于鈦及鈦合金，近年來出現(xiàn)的熱點(diǎn)金屬材料鉭、鎂、鋅，由于其自身材料還不完善，還處于研究階段，沒有獲得臨床應(yīng)用的注冊證。鈦金屬具有高的比強(qiáng)度、與皮質(zhì)骨近似的低彈性模量、低密度、高耐蝕性和良好的生物相容性，因此被作為創(chuàng)傷類骨釘板、膝/髖關(guān)節(jié)假體以及脊柱植入物等廣泛地應(yīng)用于骨科植入物領(lǐng)域。

由于3D打印技術(shù)獨(dú)特的優(yōu)勢以及鈦金屬本身良好的生物相容性和力學(xué)性能，3D打印鈦金屬骨科植入物近10年來得到廣泛的發(fā)展，目前各大全球性醫(yī)療器械公司都推出了各自的3D打印骨科植入物產(chǎn)品，種類涉及髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、脊柱、顱頜面等假體，其中我國已上市的3D打印鈦合金骨科植入器械產(chǎn)品分別為3D打印髖臼杯、人工椎體和脊柱椎間融合器，以及金屬骨小梁AVN重建系統(tǒng)。特別是2016年獲得注冊批準(zhǔn)的3D打印人工椎體為世界首例，標(biāo)志著我國在3D打印植入物領(lǐng)域居于世界領(lǐng)先水平。

圖1 3D打印椎間融合器

圖2 髖臼杯

目前用于3D打印鈦合金植入物的成型工藝主要以選擇性激光熔融(selective laser melting，SLM)和電子束熔化成型(electron beam melting，EBM)兩種技術(shù)為主。EBM技術(shù)通過在高真空氣氛下使用磁導(dǎo)電子束逐層熔化金屬粉末來制造零件。SLM技術(shù)使用功率為200～400W的大功率光學(xué)激光器，將金屬粉末熔合成固體部件。兩種3D打印技術(shù)的主要區(qū)別在于：輻照熱源不同，保護(hù)氣氛不同，工作成型預(yù)加熱溫度不同，金屬組織不同。總的來說，EBM精度略差，但成型效率高，成型部件殘余應(yīng)力低，不需要二次熱處理，比較適合骨科植入物的直接成型，目前全球已上市的鈦及鈦合金骨科植入產(chǎn)品包括國內(nèi)已上市的3D打印產(chǎn)品，多由EBM技術(shù)制備而成。SLM成型效率較低，殘余應(yīng)力較大，需要二次熱處理，但成型精度高，在精細(xì)零件和復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面更具有優(yōu)勢。

3D打印技術(shù)對鈦合金粉末材料有很高的性能要求，其純凈度、粉末球形度、粒徑尺寸及分布范圍、流動性、松裝密度等對成型效果均有影響。制備3D打印金屬粉末的主流技術(shù)主要以氣霧化法、等離子旋轉(zhuǎn)電極法為主，產(chǎn)生的球形粉末球形度好，表面光潔，流動性好，不規(guī)則粉及空心粉少，且氧元素含量低，與原始棒材接近，粒度分布范圍更窄，但是產(chǎn)生的鈦合金粉末粒度較粗，細(xì)粉收得率相對較低，經(jīng)后續(xù)提高電極轉(zhuǎn)速可以制備較細(xì)的球形粉末。目前，我國在粉末原材料的生產(chǎn)及產(chǎn)業(yè)化方面與發(fā)達(dá)國家還有很大差距，市場上仍有很大一部分的3D打印鈦合金粉末依賴進(jìn)口，高品質(zhì)鈦合金粉末價格高達(dá)200～400美元/kg，制約了我國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

盡管3D打印植入式醫(yī)療器械優(yōu)點(diǎn)突出，但是由于3D打印材料和植入式醫(yī)療器械產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)以及技術(shù)審評在方法、程序等方式與傳統(tǒng)醫(yī)療器械不同，給產(chǎn)品的安全有效性評價帶來了不小的困難，也是目前阻礙其大規(guī)模臨床應(yīng)用的重要原因。不過，得益于近年國家的一系列政策支持，中國食品藥品檢定研究院醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)管理研究所等正在積極推動3D打印植入物相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，一系列法律法規(guī)的也逐漸頒布，如2019年7月，國家藥監(jiān)局和國家衛(wèi)健委聯(lián)合發(fā)布了《定制式醫(yī)療器械監(jiān)督管理規(guī)定（試行）》；2019年9月23日，國家藥監(jiān)局發(fā)布《無源植入性骨、關(guān)節(jié)及口腔硬組織個性化增材制造醫(yī)療器械注冊技術(shù)審查指導(dǎo)原則》等。2020年3月5日，由國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會、工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、教育部、國家藥監(jiān)局、中國工程院6部門聯(lián)合印發(fā)了《增材制造標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)航行動計劃（2020-2022年）》，這將對3D打印植入式醫(yī)療器械的發(fā)展具有很好的推動作用。

3D打印鈦金屬骨科植入物3D技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)發(fā)展最快速、臨床轉(zhuǎn)化最多的一個領(lǐng)域。近年來，在國家科技發(fā)展計劃的有力支持以及政府的科學(xué)監(jiān)管下，我國3D打印鈦金屬骨科植入物的研究方向與國際發(fā)展趨勢同步，部分研究成果達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，具有廣闊的發(fā)展前景。

（作者單位：國家增材制造創(chuàng)新中心）