在骨科学中骨科植入若何用3Ｄ打印？成形工艺生物力学机能若何

3D打印技能和当代医学影像技能的发展，为此供应了一个绝佳的办理方案。
本论文针对激光3D打印（SLM）个性化多孔钽的设计制造需求。

深入研究了SLM打印金属钽的优化工艺，以此为根本运用理论研究建立了多孔体相对密度与弹性模量之间理论的函数关系，并用有限元法在ABAQUS软件中进行了仿照改动。

研究了基于理论等刚度条件下，变截面梁模型与对应等截面梁模型几何参数的换算关系。
选取范例的孔构造设计参数，打印系列多孔构造试样,并检测了其力学属性参数。

人体骨缺损发病率逐年增高，患者人数浩瀚。
骨缺损是指骨的构造完全性被毁坏。
造成骨缺损的成分浩瀚，紧张包括创伤、传染、肿瘤、骨髓炎手术清创、枢纽关头置换术及各种先天性疾病等，使得骨缺损的发病率极高，运用金属材料进行骨修复的治疗方法已经广泛运用于临床。

以人工枢纽关头置换术为例，2015年的研究表明，美国当时总人口中的0.83%接管过人工髋枢纽关头置换，1.52%接管过人工膝枢纽关头置换。
根据Kurtz等的估量，到2030年美国初次全髋枢纽关头置换的患者数量将较2007年增加174%，达到572000例/年。

我国是天下第一人口大国，每年各种骨缺损病例更是数量浩瀚，据估计我国目前骨缺损或功能障碍患者超过300万人，须要通过植入人工金属假体手术进行诊疗康复的患者数量巨大，且每年呈现递增趋势。
此外，随着我国人口老龄化程度的不断加重，老年人骨病多发。

研究表明我国在21世纪初65岁以上老年人群中,80%有骨性枢纽关头炎的表现，而总发病率为3%旁边，是枢纽关头置换的主要需求群体。

随着老年人群体数量不断增加，加剧了这一增长趋势。
仍以枢纽关头置换为例。
个性化精准诊疗是治疗骨缺损的精良治疗方案。

随着人类文明的不断进步与发展，人们经济生活水平的不断提高，人们对康健生活的意识改变使得对疾病诊疗的哀求和高品质生活的期许也随之提高。

在治疗骨缺损病例时，因个体的差异，每每患者所需的金属内植物假体形态和大小存在差异，尤其在枢纽关头翻修、骨肿瘤等成分引起的骨缺损创伤更加巨大，且具有很大的随机性，病理状态下骨再生能力受限。

利用骨科常规金属内植物和传统标准化修复诊疗方案，在骨缺损描述、力学性能等方面不匹配，难以达到满意的效果。

由于不匹配造成的内植物-骨界面结合强度不足，尤其是假体柄与骨髓腔不匹配时，假体-宿主骨之间的点打仗可产生应力遮挡，导致骨萎缩和松动，造成患者疼痛和翻修。

年夜夫手术过程中须要花费大量的韶光来匹配骨缺损，进行骨构造的重修，也使得患者手术风险和痛楚都相对较高。

如何办理标准化植入假体缺少个体匹配性的问题，成为医学界和工程界共同关心的话题和研究的热点。
一方面，不同病患个体或骨缺损部位对金属植入假体的形态及受力力学需求不同，植入假体须要适应个体和特定部位在静态和运动状态下繁芜的力学环境。

只有深入研究植入假体在人体内的生物力学相应，才可能设计出最优的个性化假体及其植入诊疗方案；

另一方面，在个性化的假体设计方案根本之上，只有定制出高度匹配的金属植入假体，才能终极知足患者术后对较高生活质量的需求。

因此，针对患者的个性化精准诊疗已经成为患者、年夜夫和工程师们共同的需求与欲望。
多孔金属所需匹配的人体骨组织是人体紧张的承重器官，构造繁芜，其生物力学性能也因此繁芜多样。
人体骨组织具有多层次构造。

骨组织在宏不雅观层面上可分为皮质骨和松质骨，皮质骨位于表面，具有较高的矿物质含量，质地坚硬而紧密，紧张由紧密排列的骨单位构成，具有高强度、刚度和断裂韧性，同时又具有耐受损伤和自我修复的能力。

松质骨在骨内和长骨（如肱骨、股骨等）的骺端均有分布，质地疏松，呈海绵状，由相互交织的杆状或板状的骨小梁排列而成。

骨组织的生物力学特性由其自身构造和生物学特性等成分共同决定。
在不同程度的力学载荷下，骨组织表现出不同的生物力学特性。

小梁骨是一种具有高度异质性的繁芜材料。
它的弹性和强度特性在不同的解剖部位有很大的差异，而且随着年事的增长、疾病发生以及性别不同而变革。

K3D打印技能（3DPrinting）给骨科个性化精准植入治疗供应了绝佳的技能路径。
3D打印技能又称增材制造技能是近30年来兴起的具有独特制造理念的前辈技能，一贯为国内外的医学和工程研究者们高度关注。

3D打印技能具有高个性化匹配制造、高数字化柔性制造、高度适应繁芜异形构件制造、节约材料、自动化程度高档特性，在个性化小批量订制、原型制造、生物医疗等领域运用广泛。

近年来3D打印技能在医用材料、打印工艺、专业设备领域不断进步，它实现了多材料、材料功能梯度、多精度工艺制造，制备高精度且具有形态学特色的骨模型。

尤其因此及当代医学影像技能的发展给3D打印供应了精确便捷的数据根本，使得医学领域个性化诊疗有了一个绝佳的办理方案，使得订制骨科个性化植入物能够真正实现最空想的骨修复策略，即“相机行事，度身定做”，做到个性化精准诊疗，具有划时期的巨大浸染。

我国在此领域的研究并不掉队，履行了很多临床案例。
在该领域中，戴尅戎院士团队20余年的研究成果在国际上已处于领先地位。
2014年，戴尅戎院士团队利用3D打印钛合金假体为患者履行了骨盆重修手术，标志着该领域又一重大打破。

同时，随着3D打印技能发展和在骨科植入领域的研究探索不断深入，基于3D打印的定制化植入假系统编制造做事市场逐渐形成。
采取3D打印技能制造的钛合金植入假体分别于2007、2010，取得欧洲CE、和美国FDA认证。

截止到2014年4月，环球已有超过40000例3D打印成形钛合金髋臼杯植入人体。
目前已有海内公司的3D打印髋臼杯产品于2015年取得了中国CFDA的认证。

2019年6月26日，国家药品监督管理局和国家卫生康健委员会共同发布了《定制式医疗东西监督管理规定（试行）》，预示着我国规范的定制式医疗东西的巨大市场很快将要形成。

面向骨科诊疗的3D打印技能研究是目前学界的研究热点，更是个性化精准诊疗运用推广的一个主要发展方向。
多孔钽植入体是目前学界研究的热点。

具有良好生物相容性的金属材料如316L不锈钢、Co基合金、钛及钛合金等，由于具有强度、硬度、韧性、耐堕落等性能上风在医疗临床硬组织修复领域很早就被运用。

而同时实体金属材料与人骨组织的弹性模量差距较大（致密骨的杨氏模量范例值是20Gpa），两者之间形成“应力遮挡”，从而易造成金属植入体的失落效。
利用多孔金属材料可大幅降落了植入体的弹性模量，机器性能可调度，是办理“应力遮挡”问题的有效办理方案。

此外，多孔金属材料还有质量轻、比表面积更大的优点，并且多孔构造更加有利于骨组织的长入。
因此，多孔金属材料被视为医学植入体的空想材料。

多孔钽是目前医学界公认生物相容性最好的硬组织植入材料。
植入后的多孔钽假体与宿主骨之间产生稳定的生物“绑定”，具有适宜长期稳定植入人体的可能。

3D打印技能独特的个性化制造上风也多孔钽植入体的个性制造供应了绝佳的技能路径，成为近年来国内外骨科领域的关注热点。

同时，由于金属钽熔点靠近3000摄氏度，高密度，对X射线接管非常，理化性能分外，对所需的专业化研究设备哀求高，评价方法较困难，成本相对较高，限定了对3D打印多孔钽的研究。

研究发展个性化多孔钽假体3D打印技能，具有极高的学术代价和非常广阔的运用前景。
3D打印技能问世于美国，最初被称为“快速成型”技能。

1979年，美国科学家RFHousholder得到“快速成型”技能专利。
1986年，美国科学家CharlesHull开拓了第一台商业化3D打印机。

3D打印技能是在打算机掌握下，依据零件的3D数字模型自动完成零件加工的前辈制造技能。

相对付传统“减材制造”（如铣、车、钻等工艺技能）从毛坯上去除无用材料得到终极零件，3D打印是采取“分层制造，逐层叠加”的办法直接“堆积”有用材料完成零件制造，即为“增材制造（AM）”。

美国测试与材料协会（ASTM）把3D打印技能定义为“依据3D数字模型，采取逐层叠加连接材料（而非去除材料）制造零件的工艺过程”。

3D打印技能因其高制造柔性，不受零件构造限定、自动化程度高档优点在越来越多的领域运用推广。
多孔金属在骨科植入中的运用致密金属植入体的刚度和强度远高于人体骨组织，力学性能差别较大，且不利于细胞成长和骨整合，植入治疗效果欠佳。

多孔构造的金属植入体力学性能与人骨组织相匹配，孔隙具有良好的细胞长入性能。
一个成功的多孔金属植入物可以规复骨的功能，促进受损部位骨组织的再生。

因此，多孔金属材料被认为是修复或更换受损骨骼的空想材料。
空想的多孔金属植入物该当具有以下几方面特点，也正是医学骨科诊疗的的关键哀求。

近10余年来，3D打印金属植入假体的临床运用在国内外已经逐步发展起来。
采取EBSM技能制造的钛合金植入假体分别于2007、2010年，取得欧洲CE、美国FDA认证。
个中尤其以枢纽关头置换运用最多。

据统计截止到2014年4月，环球已有超过40000例SEBM成形钛合金髋臼被植入人体。
目前已有海内公司的3D打印髋臼杯产品于2015年取得了中国CFDA的认证。

在个性化骨缺损的临床运用方面，Dekker等接诊了15例患者，采取定制式3D打印钛合金支架植入物来治疗繁芜的大块骨缺损、畸形。

经由22个月随访，个中13例发生CT影像领悟。
疼痛有显著改进。
Belvedere等运用SLM技能设计定制了3个CoCrMo踝枢纽关头，并成功履行置换手术，术后枢纽关头移动性和稳定性方面也取得了良好的效果。
Beltrami等利用3D打印个性化钛合金肩胛骨植入2名患者体内。

Mobbs等利用激光直接熔化技能（类似LENS技能）制造出患者特定定制腰椎前体间领悟(ALIF)植入物成功进行前路腰椎间领悟术，明显缩短了手术韶光。
变截面梁菱形十二面体多孔体构造的力学性能，取得了一定研究成果。

但是，由于SLM技能是金属熔化再结晶的过程，其熔池流动、热应力分布、晶粒的成长都会影响金属成形制造，而多孔材料的力学属性受材料、几何构造等诸多方面影响，较为繁芜。

采取SLM技能来打印多孔构造，其工艺技能对构造零件性能的影响机理就更是研究难点。
本文后续研究还应从以下几个方面动手：

（1）目前的SLM设备可以实现Ta粉打印，但由于其构造特点还不能完备适应Ta的物理属性，须要从温度场掌握、事情基板预热等方面进一步优化系统，以适应Ta的性能。

（2）影响SLM成形的成分很多，这也是造成SLM成形眇小孔隙构造精度不敷，同等性差的缘故原由。
未来该当从粉末材料、熔池流动、肃清应力等方面动手，更加系统研究，进一步提高多孔钽的成形质量。

（3）SLM技能并非完备“对称均匀”的成形技能，试样在成形方向和与之垂直的方向上的微不雅观组织存在一定差异。

未来可动手此方面的研究，可更加全面准确的节制SLM成形金属钽的性能。
（4）研究是面向临床人体植入，植入假体的生物相容性至关主要。

须要与医学研究团队开展大动物试验，验证多孔构造的细胞长度、动物生理反应等情形，为进一步优化孔隙构造供应科学依据。