深圳大洲醫(yī)學(xué)科技有限公司創(chuàng)始人、CEO兼首席科學(xué)家楊景周博士作為通訊作者在材料表征領(lǐng)域國際權(quán)威期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文“激光熔融增材制造骨小梁多孔鉭：力學(xué)性能評(píng)價(jià)與多孔結(jié)構(gòu)表征”，系激光3D打印仿生骨小梁多孔鉭基礎(chǔ)研究論文，論證了其作為新一代多孔金屬骨科植入材料的優(yōu)異性能和結(jié)構(gòu)。
鉭金屬具有極好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性、抗腐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性、延展性，自1940年開始作為植入性生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)用于臨床。由于其熔點(diǎn)高（2996°C）、難加工，且密度大（16.68g/cm3），醫(yī)學(xué)應(yīng)用受到很大限制，50年代到80年代主要以絲、片、薄板等形態(tài)作為外科手術(shù)縫合線、顱骨修復(fù)補(bǔ)片、骨折固定件等使用。直到90年代初，美國工業(yè)界發(fā)明了化學(xué)氣相沉積高孔隙率多孔鉭，相關(guān)骨科植入物產(chǎn)品開始廣泛應(yīng)用于臨床，包括髖膝關(guān)節(jié)墊塊、股骨頭壞死重建棒、髖關(guān)節(jié)臼杯、膝關(guān)節(jié)假體、椎間融合器、脊椎假體、肩肘關(guān)節(jié)假體和足踝關(guān)節(jié)假體等?；瘜W(xué)氣相沉積工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，制備復(fù)雜形態(tài)和解剖學(xué)匹配個(gè)性化多孔鉭植入物難度大，并且無法實(shí)現(xiàn)高度仿生多孔結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控和“規(guī)?；ㄖ粕a(chǎn)”。金屬3D打印技術(shù)的進(jìn)步，為突破該技術(shù)難題帶來了希望。
圖1 仿生骨小梁多孔結(jié)構(gòu)三維建模圖：側(cè)視圖、俯視圖、縱切剖面圖和三維圖（從左至右）（原圖3）[1]
圖2 激光3D打印仿生骨小梁多孔鉭實(shí)物照片 [2]
圖3 激光3D打印不同孔隙率仿生骨小梁多孔鉭彎曲試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線和試樣照片（原圖8）
大洲醫(yī)學(xué)經(jīng)過研發(fā)攻關(guān)，突破激光3D打印仿生骨小梁多孔鉭關(guān)鍵制備技術(shù)。如圖1所示，采用專業(yè)建模軟件可獲得高度仿生骨小梁多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率、絲徑、孔徑、孔道連通性、孔徑分布等孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)均可精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和調(diào)控。圖2所示為打印仿生骨小梁多孔鉭樣品，其孔道結(jié)構(gòu)與三維模型一致。不同年齡、性別的骨缺損和骨疾病患者的骨骼多孔結(jié)構(gòu)以及不同部位的骨骼結(jié)構(gòu)均有明顯差異。3D打印可制備與患者骨缺損部位多孔結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能匹配的個(gè)性化定制多孔鉭植入物。如圖3所示，所制備骨小梁多孔鉭彎曲強(qiáng)度可達(dá)到100MPa，剪切模量1.2-6.8GPa。耐壓強(qiáng)度達(dá)到60MPa，壓縮模量1.5-3.3GPa；扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度達(dá)到41MPa，扭矩達(dá)到91N·cm；且具有優(yōu)異的塑性和力學(xué)可靠性。其綜合力學(xué)性能介于人體松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨之間，適合作為骨科植入物。
圖4 不同工藝制備的仿生骨小梁多孔鉭孔道結(jié)構(gòu)對(duì)比：(a), (c) 激光3D打?。?b), (d) 化學(xué)氣相沉積（原圖11）[1]
圖5 仿生骨小梁孔徑分布對(duì)比：(a), (c) 激光3D打??；(b), (d) 化學(xué)氣相沉積（原圖17）[1]
如圖4和圖5所示，激光熔融3D打印仿生骨小梁多孔鉭具有與人體松質(zhì)骨和小梁骨高度相似的孔道結(jié)構(gòu)，孔道100%三維貫通，孔隙率可超過70%，有利于骨組織和血管長入（圖6）。多孔結(jié)構(gòu)的三維模型孔道參數(shù)與打印實(shí)物孔道參數(shù)之間存在差異，這是3D打印的技術(shù)難點(diǎn)之一。大洲醫(yī)學(xué)通過打印工藝參數(shù)優(yōu)化和后處理工藝調(diào)控，已突破該技術(shù)難點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)控制?；趦?yōu)異的力學(xué)性能和多孔結(jié)構(gòu)，激光3D打印多孔鉭可作為新一代骨科植入材料修復(fù)骨缺損和治療骨疾病。
該研究工作獲得“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“生物醫(yī)用材料研發(fā)與組織器官修復(fù)替代”專項(xiàng)資助。大洲醫(yī)學(xué)已申請(qǐng)激光3D打印仿生骨小梁多孔鉭核心技術(shù)國際和國內(nèi)發(fā)明專利10余項(xiàng)，并開始加速其骨科植入產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
[1] Jingzhou Yang, et al. Additive manufacturing of trabecular tantalum scaffolds by laser powder bed fusion: Mechanical property evaluation and porous structure characterization, Materials Characterization,2020, 110694, https://doi.org/10.1016/j.matchar.2020.110694.
[2]深圳大洲醫(yī)學(xué)科技有限公司技術(shù)研發(fā)資料
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