顱頜面修復體制作用3D打印金屬粉末的研究進展

2020-3-9 11:03  來源:華西口腔醫學雜志
作者:潘碩 劉斌 閱讀量:1015

    顱頜面缺損是口腔醫學及顱頜面外科的臨床常見病,常引起患者嚴重的功能障礙和容貌畸形,其治療是涉及多學科理論和技術的綜合性難題。隨著3D打印技術不斷發展,為完美解決這一臨床難題提供了新的方法,采用3D打印技術制作顱頜面修復體的研究報道不斷增加。根據《Wohlers Report 2017》中的統計,2017年醫療/牙科產業占據3D打印產品市場的11.0%。這也為3D打印技術的發展帶來良好的發展契機。

    傳統顱頜面金屬修復體往往通過手工技術制造或成型,制作工藝繁瑣,且在加工過程中金屬會產生變形,帶來尺寸偏差,導致治療效果不佳。而采用3D打印技術生產的金屬修復體可根據患者自身解剖特點進行定制化生產,獲得患者3D數據后,構建出需打印部分的三維模型,然后以金屬粉末為原料,經3D打印成型,即可得到高尺寸精度的金屬修復體,利用該工藝大大節省了人工消耗,提高了整體匹配程度,可滿足不同患者的使用需求。

    3D打印金屬修復體已在顱頜面外科領域廣泛應用。Nickels采用3D打印技術為一位83歲患者制作了一副鈦合金的下頜骨,術中摘除下頜骨后即刻植入新的“下頜骨”,取得了較好的功能和美觀效果。Mangano等回訪了15例采用選擇性激光熔化(selective laser melting,SLM)技術制造的個性化根形種植體即刻患者,1年成功率為100%,證實SLM技術制造的個性化種植體可成功地應用于臨床實踐。目前國內3D打印顱頜面修復體已處在迅速發展階段,但對用于顱頜面外科的3D打印金屬粉末并無明確的技術審查要求,不利于產業的長久發展。

    作為口腔及顱頜面植入物或修復體的金屬部件往往要伴隨患者很長時間,因此對材料的可靠性提出了很高的要求。本文從顱頜面醫療用3D打印金屬粉末制備工藝、3D打印成型工藝進行介紹,并對顱頜面修復體制作用3D打印金屬粉末的性能要求進行探討。

    1. 3D打印金屬粉末的制備工藝

    3D打印的主要原料是球形金屬粉末,生產工藝主要有氣霧化法、等離子體旋轉電極霧化、射頻等離子體球化法等。

    1.1 氣霧化法

    氣霧化法是球形金屬粉末的常見制備工藝,該方法利用高速運動的氣流作用于金屬液流,使氣體的動能轉化為熔體表面能,從而將熔融金屬破碎成細小液滴,經冷凝后得到金屬粉體。由于鈦合金易與常見坩堝材料反應,一般采用水冷銅坩堝進行熔煉。該工藝的優勢是工藝技術成熟、適用金屬范圍廣、成本低、粉末粒度較細,目前已成為最常用的球形粉末生產工藝之一。但缺點是霧化過程中由于需坩堝融化,易引入雜質,同時霧化過程中易產生空心粉和衛星球等缺陷,且噴嘴的設計、霧化的工藝參數對粉末性能影響較大,需對工藝嚴格控制。

    羅浩等利用真空熔煉氣霧化工藝制備了可以用于3D打印的鈷鉻合金粉末,通過調整噴嘴直徑、熔煉溫度和霧化壓力,最終得到了性能滿足打印需求的粉末,其平均粒度為30.70 μm,松裝密度達到4.30 g?cm-3,流動性為22.4 s/50 g,氧含量僅為0.032%。陸亮亮等利用高頻感應熔化鈦絲進行氣霧化,得到了球形鈦粉,衛星球比例減少至1%,同時通過調節霧化參數可得到平均粒徑41.8 μm的球形鈦粉。該工藝由于采用無坩堝熔煉的方式,大大減少了雜質的污染,有利于保證鈦粉的純度。

    Chang等利用緊密耦合高壓超聲氣工藝得到球形鈦粉,并且鈦粉的粒徑小于45 μm。Schwenck等利用緊密耦合霧化工藝,通過改變噴嘴形狀、霧氣溫度和霧化壓力,最終得到平均粉末粒徑為15.2 μm的銅錫合金粉末。

    1.2 等離子體旋轉電極霧化法

    等離子體旋轉電極霧化法是將金屬或合金制成自耗電極,電極端面受電弧加熱而熔化為液體,通過電極高速旋轉的離心力將液體拋出并粉碎成細小液滴,最后冷凝成粉末。該方法主要應用于制備球形鈦及鈦合金粉,得到的粉末球形度好、無空心及衛星球等缺陷、流動性好,但缺點是由于電極轉速存在極限,因此粉末偏粗,粉末粒度普遍在100 μm以上,45 μm以下粉末比例不足15%。

    戴煜等在現有的技術基礎上,研究連續進給料、密封、自動起弧與信息反饋、智能控制等裝備技術和旋轉霧化制粉工藝,開發了最新一代等離子旋轉電極霧化制粉系統,制備的粉末粒度D50不大于45 μm,單爐生產量大于400 kg,細粉收得率大于15%,可以生產包括鈦合金在內的多種球形粉末。

    陳煥銘等利用等離子體旋轉電極霧化法制備了FGH95高溫合金粉末,并對冷卻速率與粉末粒度間的關系進行了研究,結果顯示,粉末顆粒的表面凝固組織為樹枝晶和胞狀晶,而隨著粉末顆粒尺寸的減小,其內部凝固組織由以樹枝晶為主逐漸轉變為以胞狀晶及微晶組織為主。Hsu等利用等離子體旋轉電極霧化法制備鎳鈦合金粉末,并對粉末粒徑范圍的重量百分比、粉末形態和生物相容性進行了研究,結果顯示:31.8%的粒徑小于300 μm;粉末為球化粉末,表面光滑且無衛星球,化學成分無明顯變化;粉末有良好的生物相容性,無細胞毒性,且具有良好的細胞黏附性。

    1.3 射頻等離子體球化法

    射頻等離子體球化技術是利用射頻電磁場的感應作用,對氣體進行感應加熱,從而產生射頻等離子體,將金屬粉末送入等離子體炬中,利用等離子體的高溫加熱使其熔化,在表面張力作用下熔融金屬變為球形液滴,經冷卻后迅速凝固,從而得到球形度好的金屬粉末。該工藝的優點是適合難熔金屬粉末的球化,粉末球形度好,可以得到球形度95%以上的金屬粉末,且不存在空心球的缺陷,同時反應氣氛可控,保證了粉末的純度。但缺點是細粉原料流動性差,不易送入等離子體炬中,且粉末易團聚,從而產生大顆粒球形粉末。

    古忠濤等利用射頻等離子體球化工藝制備了球形鈦粉,以不規則的鈦粉為原料,利用射頻等離子體球化工藝生產了球形鈦粉,測試表明球化后C、O、H、N含量有所降低,球化后平均粒度基本沒有變化,但粒徑分布相對變窄。盛艷偉等以大顆粒氫化鈦粉末為原料,將等離子體球化處理技術與氫化脫氫技術相結合,使氫化鈦粉末的脫氫分解、氫爆和球化處理一步完成,實現短流程制備低氧含量微細球形鈦粉。該工藝解決了細粉難以送料的問題,阻止了大顆粒球形粉的產生,得到粉末平均粒度為20~50 μm。

    Yang等以多邊形氫化鈦粉末為原料,使用射頻等離子球化熱處理技術和脫氫技術,移除氫化鈦粉末中的氫元素,降低了氫化鈦粉末中的雜質,成功得到球形鈦粉。經測試,球形粉末的粒徑降低到21~30 μm,粉末中的雜質(如鐵、鉻、鎳元素)都有所降低。Ghorui等通過使用射頻等離子熱處理工藝,使用高壓射頻熱等離子體反應器,制備鋁納米微粒球形粉末,X射線衍射光譜顯示粉末存在納米結晶,平均結晶尺寸約為20 nm。

    2. 3D打印成型工藝

    隨著3D打印技術的不斷發展,打印成型工藝也出現了許多新類型,實現零部件從無到有的增材制造生產過程。美國材料試驗協會增材制造技術委員會將增材成型技術分為7種類型:粘合劑噴射成型,直接能量沉積成型,材料擠出成型,材料噴射成型,粉末基熔合成型,片層壓成型和光聚合成型。金屬粉末常用的成型技術主要包括粉末基熔合成型和直接能量沉積成型。粉末基熔合成型主要有3種方法:選擇性激光燒結(selective laser sintering,SLS)技術、SLM技術和電子束選區熔化(electron beam selective melting,EBSM)技術;直接能量沉積成型的常用方法為激光近凈成形(laser engineering netshaping,LENS)技術。目前在口腔醫療領域應用較多的主要是SLM、EBSM、LENS等技術。

    2.1 SLM技術

    SLM技術打印時先用鋪粉輥將金屬粉末平鋪到加工室的基板上,然后利用激光束有選擇性地熔化基板上的粉末,打印出當前層,在打印完一層后,系統下降一個層厚的距離,然后鋪粉輥再次鋪粉到基板上,繼續用激光束進行熔化,重復操作多次后最終得到完整的零部件。該工藝可使用材料寬泛,尺寸精度高,表面粗糙度好,具有較高的致密度和力學性能,是在口腔修復體領域中使用最多的打印成型方式。該工藝采用鋪粉方式打印,所用粉末的流動性越好、松裝密度越高,打印成品的致密度越好;粉末的粒度越細,則打印的精度越高,表面粗糙度越好。因此該工藝一般使用粒度15~60 μm、球形度較好的粉末。

    2.2 EBSM技術

    EBSM技術與SLM技術相似,主要區別是EBSM以電子束為熱源,對金屬粉末進行熔化,且所需環境為真空環境,因此該技術制備的產品雜質含量較低,致密度較高,性能優良,但打印的精度不如SLM。由于電子束能量較高,因此所使用粉末較粗,一般使用粒度50~90 μm、球形度較好的粉末。

    2.3 LENS技術

    LENS技術是以金屬粉末為原料,通過高能激光束對金屬原料逐層熔化堆積,最終得到高致密度、高性能的大型金屬零部件的制造技術。該技術由于采用激光照射送粉器噴出的金屬粉末,因此無需粉床,適合大尺寸零部件的生產,但是由于利用氣流進行送粉,因此粉末粒度不宜過細,否則容易出現飛揚,且易堵塞噴嘴,因此一般采用流動性好、粒度較粗的粉末。

    3. 顱頜面修復體制作用3D打印金屬粉末的性能要求

    針對顱頜面醫療用3D打印金屬粉末的使用條件及打印工藝的要求,主要從粉末純度、粒度及粒度分布、球形度、流動性及松裝密度幾個方面對粉末所需的性能指標進行說明。

    3.1 粉末純度

    作為醫用材料,要求其具有穩定的物理化學性能,因此粉末原料的純度是最重要的指標。金屬粉末的化學成分應進行重復的表征和驗證。在粉體制備過程中,容易引入氧、氮、碳等雜質元素,對于顱頜面修復體制作中最為常用的鈦合金材料,隨著氧含量的增加,其塑性會大幅度下降,嚴重影響后期使用性能。對于3D打印金屬粉末,氧含量的多少是影響打印件的重要因素。因此一般要求鈦合金粉末氧含量控制在0.15%以下。同樣的氮和碳等雜質元素也會對成品性能產生不利影響,需要嚴格控制。根據ASTM B348-08a標準,鈦合金粉末的氮含量應控制在0.05%以下,碳含量應控制在0.08%以下。

    制粉過程中可能會由于熔煉等因素引入陶瓷相夾雜,這些難熔的陶瓷相夾雜在利用激光進行打印時,無法很好地與基體結合,造成打印體內部缺陷的產生,容易造成打印體局部性能下降,甚至導致打印體開裂。因此需要保證粉體無陶瓷相夾雜,保證粉末的純凈。但顱頜面修復體用金屬材料并未限制材料的組成成分,無論何種組成成分的金屬材料,只要滿足不同使用部位的性能要求和生物學要求,均可用于臨床。所以,研發生產企業應明確粉末的具體化學成分,并在加工過程中對雜質元素進行控制。

    3.2 粉末粒度及粒度分布

    SLM打印工藝是采用逐層鋪粉技術進行打印,每鋪一層粉末利用激光進行一次燒結,每層粉末厚度一般是2~6倍的粉末直徑,因此每層粉末的厚度取決于粉末的粒度,如果粉末偏粗,會造成所鋪粉末層厚較厚,導致打印精度下降。目前常見的做法是采用平均粒度15~60 μm的粉末進行3D打印,以提高打印成品精度。研究表明,在打印過程中,使用粗粉與細粉的混合粉,可有效提高打印性能,混合后細粉可填入粗粉的空隙中,使其粒徑峰值消失,而混合粉末將呈現“雙峰”分布特征,且整體具有較寬的粒度分布情況。

    3.3 粉末球形度

    粉末的球形度定義為顆粒實際截面面積與截面最長直徑計算面積之比,是衡量顆粒與圓相似度的指標,完美的圓的球形度值是1。球形度的大小直接影響了顆粒的流動性和堆積性能,粉末球形度高,鋪粉更加均勻,打印構件的致密度得到提高。同時,在實際應用過程中,一些粉末是重復使用的,有可能有些部分的粉末熔化或燒結在一起,影響打印質量。因此有必要對球形度予以規定。

    一般采用掃描電鏡照片結合圖像分析軟件進行測定,該數值主要影響顆粒的流動性和松裝密度,在SLM打印過程中更是直接影響鋪粉性能,在鋪粉過程中球形度高的粉末在鋪粉輥的作用下能夠更加均勻地填充打印平臺,因此對于SLM等工藝,一般要求球形度低于0.8的粉末比例不超過2%,這樣的粉末在鋪粉時更加均勻,打印件的致密度更高。

    3.4 流動性與松裝密度

    粉體的流動性主要與其球形度、粒度有關,球形度越好流動性越好,粒度越粗流動性越好。良好的流動性是保證粉末在輸送與鋪開時更加均勻,進而減少打印缺陷產生,增加打印致密度。因此需在粒度和流動性間進行優化選擇,保證粉末具有較好的綜合性能。松裝密度則與粉末粒度、粉末球形度、空心粉率等因素有關,空心粉不但會降低粉末松裝密度,在打印過程中還易產生缺陷,應盡量避免空心粉的出現。一般來說,粉末粒度越大,松裝密度越大,但對于具有“雙峰”分布特點的粉末,其松裝密度較常規粉末高,打印出的成品具有更好的致密度。

    4. 結束語

    3D打印作為快速制造以及個性化制造的代表,憑借其獨特的優勢,在顱頜面醫療領域得到了廣泛應用,大大提高了治療效果。我國增材制造技術產業發展相對較落后,缺少對于顱頜面醫療領域應用原料的明確質控標準和技術審查要求,因此該技術目前在國內的使用普遍處于臨床試驗階段。本文根據3D打印用粉的制備工藝及成型工藝特點,對顱頜面修復體制作用3D打印金屬粉末的性能特征進行了探討,希望在不久的將來顱頜面醫用3D打印技術能夠在我國實現更加廣泛和健康的應用。

編輯: 陸美鳳

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