探讨颅颌面硬组织植入用3D打印钛合金材料的研究进展

　　目前，3D打印技术已经凭借优异的可定制性成为医疗领域的宠儿。而在医用材料上一直有着很大限制。医用金属材料用于外科植入物和矫形器械的主要有：不锈钢、钴基合金和钛合金三大类。钛合金是硬组织植入物临床使用中*普遍的材料，由于其良好的生物相容性 及机械性能，也成为*理想的颅颌面植入物材料。医用钛板、钛钉、钛网等植入物已广泛应用于口腔颌面部外伤后内固定及颌面骨组织切除后功能性修复重建等包括上颌骨、下颌骨、眶壁、颅骨、乳突切除等，也可制作颅骨板用于颅骨的整复、微孔钛网修复损坏的头盖骨和硬膜。口腔内制作种植体、个性化基台、义齿支架、冠桥等钛合金材料在口腔种植、口腔正畸等领域也有良好的临床效果。颅颌面硬组织植入修复体的材料和制备工艺是影响修复体质量的主要因素，也是颌面修复重建外科手术成功的关键。

　　自20世纪40年代以来，很多学者开展了钛生物学性能相关性研究，研究涉及材料物理、化学、生物医学及先进电子显微及生化分析等多个学科。保证钛合金植入物良好的生物相容性、力学相容性以及相应标准、工艺等问题是研制开发外科植入物产品的关键，现将应用于颅颌面硬组织钛合金植入物材料的相关研究做一简述如下。

　　1.颅颌面钛合金植入常用材料的生物学性能

　　1.1 医用钛合金材料的生物相容性

　　钛合金与人体之间相 互作用后产生的各种物理化学，生物电学等反应或耐受能力，如细胞毒性、基因毒性、腐蚀性、溶血性、过敏性等 各方面都具有良好的生物相容性，比不锈钢和钴基合金都要强。 钛合金的显微组织分类有α型(如纯钛系统)、α+β双相混合型(如Ti6Al4V等)或者β型钛合金。在进行医用钛合金材料显微组织分类选型设计时，合金中的不同的组成元素应无不良反应。**代Ti-6Al-4V(TC4)是典型的α+β两相高温钛合金，但此类合金含有V、Al对生物体有毒副反应，且临床应用发现V生物毒性要超过Ni和Cr。第二代是以Nb、Fe替代V的α+β型钛合金Ti-6A1-7Nb和Ti-5A1-2.5Fe先后在瑞士和德国开发出并 纳入国际生物材料标准 。

　　第三代低模量化近β型医用钛合金Ti-13Nb-13Zr、Ti-12Mo-6Zr-2Fe(TMZF)，Ti -29Nb-13Ta-4.6Zr(TNTZ)等成为全球医用钛合金材料的研究热点和主攻方向。Ti-13Nb-13Zr是美国1994年研制且**个被正式列入国际标准的医用钛金。Ti-12Mo-6Zr-2Fe(TMZF)在2000年已被用来制造髋关节假体系统的股骨柄。这些新型β钛合金的弹性模量都比较低，有着良好的生物学相容性，防止骨密度下降以及降低植入体的失效几率具有十分重要的意义 。 影响生物相容性的因素有植入物材料类型、器件形态及其表面形貌、组成、物理化学性质及力学性质等。为了改变生物材料表征和生物学性能，应用不同处理工艺的方式可以在较大范围内控制显微组织的形态，进一步提高其生物相容性和成骨性能 。常规性处理方法大致可分为机械法、物理法、化学法和电化学法，包括有喷砂、等离子钛浆喷涂、羟基磷灰石涂层、微弧氧化、酸蚀或喷砂酸蚀结合等处理的钛及钛合金能够促进表面类骨磷灰石的形成，缩短骨愈合过程都有利于新骨组织长入形成机械结合，从而提高植入物与骨组织的结合强度。

　　1.2医用钛合金材料的生物力学相容性

　　骨与关节的替代 物在人体会受到各种的弯曲、挤压、拉伸、剪切等生物力学 作用，因此对植入物极高的力学性能要求。机械性能决定如何选择一种特殊的应用金属材料类型，其中*重要的属性是硬度、抗拉强度、弹性模量、耐磨性、疲劳性能、和延伸率等。如果一个骨植入物因强度不足或在骨和植入物之间的力学性能不匹配，那么这个被称为生物力学不相容。钛合金目前常用两种方法研究以试图减少或解决应力遮挡现象，获取良好的生物力学相容性：其一开发新型医用钛合金降低钛合金的弹性模量和提高钛合金生物活性的研究。α型(含Al及O、N等气体元素)、β型(含Mo、Nb、Ta、V等)和α+β型三类钛合金显微组织类型中的β型可再细分为近亚稳定β合金、亚稳定β合金及稳定β合金。对合金进行不同的处理控制α相和β相的适当比例及分布，形成不同的组织从而改善其力学性能。

　　仅仅以一种钛合金的某一单项力学指标与人体骨组织是否接近或匹配简单判定其生物力学相容性的优劣是不可取的。若提高钛合金的强度，其金属弹性模量、硬度/耐磨性、疲劳强度都将增加，而塑性将会降低。上述矛盾规律使得在应用中有时必须牺牲材料的部分力学强度来保证其他力学性能的匹配。例如，Al、V元素对钛合金的强化非常有效，但降低了材料的塑韧性，又提高了弹性模量，因此医用钛合金应避免采用或少量加入。但Zr、Nb、Ta、Mo、Hf、Sn等元素能够使钛强化而对塑韧性不利影响较小，同时有利于降低 钛合金的弹性模量，可以优选加入 。 其二可以改变修复体内腔结构设计制备多孔钛可以降 低弹性模量或刚度 。作为颅颌面植入物的Ti-6A1-4V合金多以致密态用来制备医用产品，然而致密Ti6-Al4-V 弹性模量110GPa而天然皮质骨从0.5GPa到20GPa 。

　　从生物力学相容性的角度来说，大量临床研究表明，传统的金属植入材料的生物力学相容性较差，与骨组织的力学性能不匹配，与所替代的硬组织之间的界面结合力较弱， *终导致植入体松动或自体骨断裂 。设计及制备一种具有三维孔隙结构的钛合金等新植入物技术的应用及其性能的研究发现，孔隙的存在对植入物的性能有以下几个方面的改善 。

　　(1)金属植入物的密度、强度和弹性模量可以 通过对孔径、孔隙率的大小来调整来达到力学相容性，避免植入体周围的骨坏死，新骨畸变及其承载能力降低;

　　(2)三维贯通的网孔状结构及粗糙的内外表面有利于成骨细胞在其表面具有很强的粘附、分化和增殖潜能，能够形成垂直性的骨愈合，实现植入物与骨的生物固定。除上述提到的组成、结构可以影响到材料的性能外，钛合金的制造和加工工艺同样也可以在比较宽的范围内调节材料的力学性能和耐腐蚀性能。