摘要:

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1.文章导读

生物医学金属植入材料在临床上有着广泛的应用，包括牙科种植体、髋关节置换、骨板和螺钉等。然而，传统制造技术在应对个性化医疗需求、内部结构的精细控制以及提高材料利用率方面存在局限。以钛合金零件为例，传统工艺在制造复杂形状时，材料浪费率高达10:1至20:1，这造成了巨大的材料浪费。增材制造技术的出现为材料的制造带来了变革。它不仅能够实现生物打印，如打印心脏、肝脏和血管化肺泡等前沿医学应用，也在航空航天领域展现出巨大应用潜力，如打印飞机和火箭的零部件。此外，增材制造技术还被应用于建筑行业，实现了整栋建筑的快速建造。在医疗领域，增材制造技术能够根据患者的具体解剖结构和生理需求，设计并制造出与人体骨骼高度匹配的个性化植入物。通过精确控制植入物的内部多孔结构，增材制造不仅可以提高植入物的生物相容性，还能有效降低由于材料模量不匹配导致的应力屏蔽效应，促进骨组织的生长和修复。尽管如此，增材制造技术在实际应用中仍面临一些挑战。例如，柱状晶粒引起的各向异性、孔隙率的普遍存在以及裂纹的形成等问题，都是增材制造过程中亟需解决的技术难题。此外，材料选择、结构设计、工艺优化等也是影响所打印零部件的最终性能的关键因素。

近期，西安科技大学李玉华副教授、上海电力大学朱瑞教授、上海交通大学王立强研究员，澳大利亚埃迪斯科文大学张来昌教授在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing,IJEM）上共同发表了《革命性医疗植入物制造:生物医用金属增材制造进展》的综述论文。该综述探讨了增材制造技术在生物医用金属材料领域的最新进展，概述了增材制造技术如何应用于制造医用金属植入物，进而重点分析了钛合金、不锈钢、钴铬合金以及可降解合金等材料的性能。同时，该综述还介绍了4D打印技术、人工智能在增材制造中的应用，并讨论了增材制造技术在骨科、牙科、心血管科和神经外科等临床领域的实际应用案例。最后，文章指出了增材制造在医用金属制造方面所面临的挑战和未来发展方向。亮点：• 回顾了医用金属增材制造的最新进展；
• 总结了增材制造技术在不同生物医用金属材料中的应用；
• 介绍了4D打印技术以及人工智能与增材制造技术结合应用；
• 回顾了增材制造医用金属的性能与临床应用；
• 讨论了增材制造医用金属的挑战和未来发展方向。

图1 增材制造在多个领域的应用。

2.研究背景

生物医学金属植入材料在临床医学应用中至关重要。随着医用材料的发展和患者个性化需求的增加，传统医疗植入物的制造方法难以满足当前的临床需求。传统制造技术在制造具有复杂形状和多孔结构的医疗植入件存在一定的局限性，同时在材料利用效率上亦有所不足，这导致了大量的材料浪费。新兴的增材制造技术为生物医学金属植入件的制造带来了突破性的变革。这项技术以其逐层堆叠成型的制造原理和优势，为个性化、复杂形状植入件的制造提供了全新的解决方案。通过精确制备个性化的复杂结构零部件，增材制造技术不仅能够实现对植入件内部结构的精准调控，亦能显著提高材料的利用率，从而减少制造过程中材料的浪费。本文通过论述增材制造技术在生物医学金属植入材料领域的最新进展，包括医用承重合金、可降解合金、新型金属材料以及4D打印技术的应用，可为增材制造技术未来的研究方向及技术的改进提供参考和启示。

3.最新进展

本文介绍了几种可用于医用金属的增材制造技术，包括PBF-LB（激光束粉末床熔融）、EB-PBF（电子束粉末床熔融）、SLS（选区激光烧结）和DED（定向能量沉积）。同时，分析了PBF-LB、EB-PBF、SLS和DED等不同增材制造技术的优缺点，还讨论了如何根据植入物的特性、机械性能、生产效率和设备成本等应用需求选择合适的增材制造技术。此外，本文还介绍了人工智能在医用金属增材制造技术领域的应用，文章还强调了后处理，如热处理和表面改性在提升植入物性能、满足医用要求的重要性。

图2 增材制造在医用金属植入物中的临床应用。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献61。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献62。转载许可来自参考文献63，版权2021，爱思唯尔。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献64。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献65。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献66。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献67。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献68。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献69。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献70。

图3 用于生成具有给定刚度的桁架晶格的框架。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献216。

文章详细介绍了目前使用的一系列材料，包括但不限于钛合金、不锈钢、钴铬合金、可降解镁合金、锌合金、铁合金、新型液态金属等。由于这些材料各具特色，文章逐一分析了它们的性能和属性，可根据具体需求和应用场景选择合适的材料体系。4D打印技术不仅继承了3D打印技术在制造复杂形状和结构上的自由度，还增添了其他维度的变化，使得材料能够响应外部反应，实现自我变形和功能的适应。镓基液态金属的引入为智能材料的开发提供了新的方向，亦为制造可重构和自适应的设备和产品提供了可能，并为读者提供一个4D打印技术发展的视野。另外，文章还介绍了增材制造技术在骨科、口腔科、心血管和神经外科方面的应用，并展望其在未来工业和医疗领域的应用前景。

图4 增材制造成形的医用钛合金。(a) PBF-LB-TiNi合金的性能。(i) TiNi原始形状(ii) TiNi弯曲状态，(iii) TiNi恢复过程，(iv) TiNi恢复形状。转载许可来自参考文献268，版权所有2022，爱思唯尔;(b)增材制造法制备多孔Ti-6Al-4V-β-磷酸三钙(TCP)复合支架示意图。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献278;(c)锻造Ti-6Al-7Nb和Ti-6Al-4V合金的疲劳强度和腐蚀强度比较。转载许可来自参考文献279，版权2025，爱思唯尔。

图5 4D打印响应软机器人的应用。(a)和(b)通过近红外光响应LMPCs释放物体的演示。比例尺对应10mm。(c)和(d)用近红外光控制的LMPCs抓取和释放物体的演示。比例尺对应于10mm。(e)和(f)近红外照射后旋转结构恢复原形的演示。比例尺对应5mm。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献367。

图6 增材制造在心血管支架的应用。(a)在不同状态下的支架:(i)初始状态、(ii)折叠状态、(iii)展开状态。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献418;(b)在不同时间段所形成的支架内新生内膜:(i,ii)1个月组新生内膜面积;(iii,iv)6个月组新生内膜面积。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献418;(c)支架对应的数字减影血管造影(DSA)结果。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献418。

4.未来展望

诚然，我们必须认识到增材制造技术所遇到的障碍，例如成本考虑、遵法守规和后处理。在3D打印设备和高质量金属粉末的初始投资中以及大批量生产时，增材制造技术会有高成本等问题的担忧。然而，预计随着增材制造技术日臻成熟，其规模经济和行业竞争可能会减轻这些担忧。另外，医疗器械需要严格遵循相关国家监管部门的要求，并且在时间方面，获得医疗器械许可证的漫长过程是一个重大挑战。此外，后处理会影响交货时间，应予以细致权衡。克服这些障碍对于增材制造在生物医用材料应用至关重要，这需要行业相关者、研究人员和监管机构的共同努力。随着这些挑战的解决，利用增材制造技术制造医疗植入件会变得越来越可行，并且个性化、高性能的植入件有望更易于制造、更具成本效益。