粉末床電子束3D打印醫用金屬材料的研究進展*

楊 坤，湯慧萍，李元元

(1.吉林大學 材料科學與工程學院，長春 130022；2.西北有色金屬研究院 金屬多孔材料國家重點實驗室，西安 710016)

0 引 言

近年來，隨著“精確診療”概念的普及，臨床對骨科植入材料個性化的需求越發迫切。3D打印技術擁有極高的加工自由度，對于骨科材料的3D打印，其可以利用CT、MRI等醫學影像，通過計算機重建患者失效骨模型，制造出生物學性能與力學性能更與骨匹配的植入物產品，更可以針對每位患者制定獨特的治療方案，實現為骨植入患者“量體裁衣”的產品定制[1-2]。

近10年來，3D打印技術在骨科植入材料的制備粉末取得了飛速的發展，技術發展逐漸成熟。粉末床電子束3D打印，即電子束選區熔化(selective electron beam melting,SEBM)技術，是20世紀90年代中后期發展起來的一種粉末床熔融型3D打印技術。該技術在真空環境下成形，具有能量利用率高、掃描速度快、成形應力低等突出優點，特別適合高活性、高熔點、脆性難加工金屬材料的直接成形，在生物醫療、航空航天等領域具有廣闊的應用前景[3]。

2007年，意大利外科醫生Guido Grappiolo完成了全球首例SEBM打印的髖關節置換術，這一事件拉開了3D打印技術在骨科植入領域的應用[4]。SEBM技術制備的Ti-6Al-4V髖臼杯墊塊在2007和2009年分別獲得了歐盟CE和美國FDA的認證，我們國家的國家食品藥品監督管理總局也在2015年為增材制造技術制備的Ti-6Al-4V髖臼杯墊塊頒發了準入許可。目前，僅SEBM技術打印的髖臼杯在臨床的應用數量就已經超過了10萬例，已經有超過100種3D打印的骨科植入物獲得了美國FDA認證[3]。因此，SEBM技術在醫用領域存在巨大的應用潛力。本文將主要介紹SEBM技術及其近年來在醫用材料研究上的研究與應用進展。

1 SEBM技術與裝備的發展現狀

SEBM技術的原理如圖1所示。首先將所設計零件的三維圖形按一定的厚度切片分層，得到三維零件的所有二維信息；在真空環境下以電子束為能量源，電子束在電磁偏轉線圈的作用下由計算機控制，根據零件各層截面的CAD數據有選擇地對預先鋪好在工作臺上的粉末層進行掃描熔化，未被熔化的粉末仍呈松散狀，可作為支撐。一層加工完成后，工作臺下降一個層厚的高度，再進行下一層鋪粉和熔化，同時新熔化層與前一層熔合為一體。重復上述過程直到零件加工完后從真空箱中取出，用高壓空氣吹出松散粉末，得到三維零件[5]。

圖1 粉末床電子束3D打印技術的工藝流程Fig 1 Process of powder bed electron beam 3D printing technology

瑞典Arcam公司是全球最早開展SEBM成形裝備研究和商業化開發的機構，2001年Arcam公司在申請了如圖1所示原理的國際專利WO01/81031，并在2002年制備出SEBM技術的原型機Beta機器，2003年推出了全球第一臺真正意義上的商業化SEBM裝備EBM-S12，隨后又陸續推出了A1、A2、A2X、A2XX、Q10、Q20等不同型號的SEBM成形裝備。表1列出了Arcam公司歷代SEBM裝備的主要性能參數。

2016年，Arcam公司被國際工業巨頭GE公司收購，并于2019年Arcam公司推出了最新一代的SEBM Spectra H型電子束3D打印裝備，其最大功率為6kW，電子束直徑為140 μm，可成形最大尺寸為250 mm×250 mm×430 mm，可將原有的3～4 h的校準過程減少到15 min，成形效率更高。由表1可以看出，S系列及A系列的電子是由鎢電極發出，而Q系列及Spectra H系列的電子是由直徑0.75 mm的單晶LaB6電極發出。相比于鎢電極，單晶LaB6電極的穩定性更高。SEBM成形樣品過程中，當功率超過1 kW時，由鎢電極產生的電子束的直徑隨著功率的增加而增大。而對于LaB6電極，由于硼原子與鑭原子形成的是一個三度結構，并且硼晶格的穩定性很好，因此當功率達到3 kW時，由LaB6電極產生的電子束直徑仍比較穩定，有利于聚焦，從而成形更高質量樣品。

表1 瑞典Arcam公司開發的電子束選區熔化裝備性能參數Table 1 Main parameters and properties of the SEBM system by Arcam

清華大學和西北有色金屬研究院金屬多孔材料國家重點實驗室最早在國內開展了SEBM設備的研發和成形工藝的探索。2013年，西北有色金屬研究院成果轉化成立的西安賽隆金屬材料有限責任公司，并與2015年在國內首次推出了滿足科研的S型和滿足醫療產品的Y型國產商業化SEBM設備。

2 SEBM打印骨科植入材料的研究進展

骨科植入材料是指能夠植入人體，治療骨骼疾患、替換骨組織，恢復骨骼的正常生理功能的金屬材料[6]。目前，應用于臨床的生物醫用金屬材料主要包括不銹鋼、鈷基合金、鈦合金、醫用形狀記憶合金等。本部分內容主要對SEBM技術成形鈦合金、CoCr合金和多孔鉭的研究和應用現狀進行了闡述。

2.1 鈦及鈦合金

鈦及鈦合金密度低，比強度高，耐蝕性能好，生物相容性好等特點，被廣泛應用于航空航天、石油化工和醫療健康領域。對于鈦及鈦合金在醫療植入上的應用，早在1940年，就有學者報道了鈦植入物與小鼠股骨之間的惰性表現[7]。在現有醫用鈦合金中，Ti-6Al-4V合金是使用最優廣泛(超過醫用鈦合金總量的50%)，主要用于人工關節、接骨板、螺釘以及牙齒等部位。

2.1.1 SEBM制備Ti-6Al-4V合金的微觀組織

SEBM技術成形Ti-6Al-4V合金的典型組織為沿豎直方向貫穿多個粉層厚度的柱狀原始β晶粒形貌，成形時無擴散的馬氏體相變、短程擴散的塊狀相變和長程擴散型相變均可發生。沉積態中微觀組織的演變過程為L(液態)→β→α′+α+β→β→α′+αm+α+β[3]。當熔化成形當前粉層時，馬氏體相變首先發生。在隨后的層層沉積過程中，馬氏體組織受循環熱處理而重新進入β相區，而后可經長程擴散型相變(包括馬氏體分解)轉變為α+β組成的經典網籃組織或魏氏組織，或短程擴散相變轉變為塊狀組織，如圖2所示。

圖2 SEBM成形Ti-6Al-4V的典型微觀組織(a)樣品上部的顯微組織；(b)區域1的SEM圖，虛線區域即為塊狀相;(c) 圖(a)區域2的SEM圖Fig 2 Microstructure of Ti-6Al-4V alloy fabricated by SEBM technology

2.1.2 SEBM制備Ti-6Al-4V合金的力學性能

圖3統計了現有公開報道的SEBM技術成形Ti-6Al-4V合金的室溫拉伸性能，并與傳統鍛造退火態數值進行了比較。可以看出，SEBM技術成形Ti-6Al-4V合金的拉伸性能達到了鍛件標準，但性能數據分散性較大，這主要是受內部缺陷、氧含量、組織的不均勻性、成形工藝參數不同等因素影響。熱等靜壓處理(一般推薦920 ℃，2 h，100 MPa)處理可消除氣孔等缺陷，使延伸率提高，分散性降低，且減少各向異性的影響，但會造成材料強度降低[8]。

表2 SEBM成形Ti-6Al-4V合金的靜態力學性能Table 2 Mechanical properties of the Ti-6Al-4V alloys fabricated by SEBM technology

2.1.3 SEBM制備多孔Ti-6Al-4V合金

借助于3D打印技術自由設計的特點，可以對人體骨的真實結構進行仿生，將孔結構引入材料設計，達到降低Ti-6Al-4V植入體彈性模量的目的，消除“應力屏蔽”效應帶來的骨吸收等問題。因此，多孔鈦合金也一直是3D打印領域研究的熱點之一。與傳統無序多孔結構不同，3D打印技術更關注有序化的孔結構，這種多孔材料通常被稱為點陣材料(Lattice structure)。表2給出了SEBM技術制備的典型Ti-6Al-4V多孔材料的結構特點和力學性能。

圖3 SEBM成形Ti-6Al-4V點陣多孔材料的力學性能[13,21-33]Fig 3 Mechanical properties of Ti-6Al-4V lattice structure fabricated by SEBM technology[13,21-33]

從以上數據可以看出，通過調節Ti-6Al-4V點陣材料的孔結構和密度，實現其強度和彈性模量在0.8～196 MPa和0.03～14.9 GPa范圍內的任意調控，基本達到了人體松質骨的力學性能要求，但同等密度條件下，SEBM成形Ti-6Al-4V點陣材料的強度和剛度還無法達到人體密質骨的水平。另一方面，由于逐層沉積過程中的臺階效應，Ti-6Al-4V點陣材料的孔棱表面比較粗糙，應力集中嚴重，導致現有報道的SEBM成形Ti-6Al-4V點陣材料的韌性較差，壓縮應變均在10%以內就會發生不可以的脆性斷裂，熱等靜壓或熱處理雖然可以在一定程度上改善Ti-6Al-4V點陣材料的韌性，但難以消除其脆性斷裂的本質。筆者針對這一問題，從結構設計和微觀組織調控兩方面入手，獲得了一種具有高韌性的Ti-6Al-4V點陣材料，壓縮過程變形均勻，應變超過50%時仍為發生脆性斷裂[34]。

圖4 高韌性的Ti-6Al-4V點陣材料的壓縮應力-應變曲線(插圖為壓縮后樣品的實物圖)Fig 4 Compressive strain-stress curves of Ti-6Al-4V lattice with high ductility

2.1.4 SEBM技術成形Ti-6Al-4V合金的應用

我國在SEBM技術成形Ti-6Al-4V合金的應用方面與國外基本保持在同一水平。2015年7月22日，北京愛康醫療采用SEBM技術研發的我國首個3D打印人體植入物——人工髖關節獲得國家食品藥品監督管理總局(CFDA)注冊批準[2]。截止目前，總共有4款SEBM技術成形的標準化植入體獲得CFDA認證，并已經在臨床得到了規模化應用(如表3所示)。

2.2 CoCr合金

與鈦合金相比，CoCr合金硬度高、耐磨性優異，并且成本低。因此，CoCr合金是一種重要的生物醫用金屬材料，主要用于制作人工膝關節、種植牙和表面涂層材料。常規的鑄造方法制備的CoCr合金雖然性能優異，但無法實現復雜結構的植入體制備，離心鑄造等方法制備的成形精度和性能穩定性難以滿足臨床要求。

與鈦合金相比，有關SEBM技術成形CoCr的研究較少。現有研究結果表明，SEBM成形CoCr合金微觀組織在高度方向上存在差異，其底部為hcp結構的ε相，逐漸過渡到頂部的fcc結構的γ相[35]。組織的各向異性導致SEBM成形的CoCr合金力學性能在各個方向上存在一定的差異，盡管通過800 ℃熱處理時的fcc→hcp轉變可以一定程度減弱組織的各向異性。但熱處理后ε相的晶粒尺寸和形態在高度方向上還是存在一定的不同，即頂部為細小等軸組織，底部為粗大的柱狀晶[36]，如圖5所示。

表3 獲CFDA認證的SEBM成形Ti-6Al-4V植入件Table 3 Properties of SEBM-ed Ti-6Al-4V implants certified by CFDA

圖5 SEBM成形Co-28Cr-6Mo-0.23C-0.17N合金的微觀組織各項異性Fig 5 DBSD phase maps of Co-28Cr-6Mo-0.23C-0.17N alloys fabricated by SEBM

2016年，Arcam公司在Q10 plus設備中推出了CoCr合金的成形工藝包，并給出了經過熱等靜壓和均勻化處理前后的材料性能。可以看到，SEBM成形沉積態的CoCr合金沿高度方向為粗大的柱狀晶，并且內部析出了大量的碳化物顆粒，經過熱等靜壓(1 200 ℃/100 MPa/240 min)和均勻化退火處理(1 200 ℃/240 min，快冷至760 ℃)后，組織中的碳化物完全融入基體，并且沒有發現任何的孔洞缺陷。Arcam公司制備的CoCr合金的力學性能全面超過了鑄造態，并且疲勞性能優異，如圖6和表2所示。

圖6 Arcam公司制備的Co-28Cr-6Mo-0.23C-0.17N合金微觀組織Fig 6 Optical microstructure of Co-28Cr-6Mo-0.23C-0.17N alloys before and after heat treatment

表4 SEBM成形CoCr合金的力學性能Table 4 Mechanical properties of CoCr alloys fabricated by SEBM technology

目前，還沒有關于SEBM成形CoCr合金臨床應用的相關報道，基于上述力學性能數據，可以預見，SEBM技術成形的CoCr合金植入體(圖7)必將很快進入臨床應用階段。

圖7 SEBM技術成形的CoCr合金膝關節植入體Fig 7 CoCr alloy keen implant fabricated by SEBM technology

2.3 SEBM成形多孔鉭

金屬鉭具有優異的韌性和耐腐蝕性能以及優異的生物相容性，被認為是最為理想的骨科植入材料。鉭的密度較高，臨床上常以多孔鉭作為骨科植入體。同時，鉭的熔點為2 996 ℃，是鈦合金的2.8倍，常規的加工方法難以實現多孔結構的制備。1997年，美國Zimmer公司采用化學氣象沉積技術制備的多孔鉭Trabecular MetalTM獲得美國FDA批準被應用于臨床，但該方法無法滿足個性化診療的需求[37]。

隨著3D打印技術在醫用鈦合金領域的成功和技術裝備的不斷成熟，3D打印多孔鉭逐漸成為醫用材料領域的研究熱點[38]。我國西北有色金屬研究院在科技部重點研發計劃項目的支持下，采用西安賽隆公司等離子旋轉電極霧化的醫療級球形鉭粉，獲得了致密度99.9%以上的金屬鉭材料，并且實現了多孔鉭孔隙率在65%～95%以內的任意調控，化學成分滿足醫療行業植入標準YYT0966—2014《外科植入物金屬材料純鉭》的要求，如圖8所示。

2018年，第三軍醫大學西南醫院采用西北有色金屬研究院制備的多孔鉭材料，成功完成了全球第一例個性化多孔鉭植入體的臨床手術，如圖9所示。截止目前，該院已經完成了27例SEBM技術成形的個性化3D打印多孔鉭金屬假體植入的臨床應用[37]。

圖9 個性化3D 打印多孔鉭金屬假體植入加右膝關節翻修術Fig 9 A case of customized porous tantalum implant fabricated by SEBM technology

3 3D打印骨科制造材料存在的主要問題

隨著技術和裝備的不斷進步與發展，SEBM技術成形的醫用骨科產品逐步被醫患所認知與接受。其技術優勢對醫療領域的革命創新是顯而易見的。然而，SEBM技術在醫用金屬材料領域仍存在許多問題有待完善。

3.1 制造成本

從工藝角度分析，SEBM技術要求粉末原料具有優良的流動性和批次穩定性，一般是采用一定粒度級配的球形粉末為原料，原料成本較高；從臨床應用來看，醫用骨科植入產品對材料成分的要求十分嚴格，例如：YY/T0966—2014 《外科植入物金屬材料純鉭》中規定鉭的氧含量要小于150×10-6，而市售的鉭粉氧含量一般在1 000×10-6以上，成形工藝控制的難度較大。以上因素均導致現有SEBM成形醫用植入材料的生產成本顯著高于傳統的鑄造和鍛造工藝。

3.2 性能評價方法和行業法規空白

現有的材料性能評價方法需要標準樣品進行性能檢測，而3D打印技術制備的醫用植入材料(器械)大多是由致密、多孔以及薄壁結構組成而成，難以滿足傳統檢測方法的要求。同時，針對3D打印技術的工藝特點、復雜結構以及個性化植入體的相關質量在線監控技術和性能測試方法仍處于空白，導致部分臨床醫生和患者對3D打印骨科植入材料的性能還存在疑惑。

3.3 個性化植入體的認證困難

現階段獲得醫療準入許可的均是標準化的骨科植入體，很多的研究和產品都只是用增材制造代替了傳統的制造方法，缺乏針對性的設計和分析，產品實質還是傳統產品，并非個性化產品，并沒有充分發揮3D打印在個性化診療上的巨大優勢。然而，對于針對患者定制的個性化產品，由于FDA與CFDA對于3D打印產品并無單獨的評價體系，導致此類產品很難獲得市場準入認證，僅能停留在臨床試驗階段。因此，急需加快制定3D打印個性化骨科植入材料的國家標準以及臨床應用的評價方法，開通綠色通道，加速推進3D打印個性化骨科植入體的取證工作，早日造福患者。

4 結 語

隨著裝備與技術的不斷成熟，SEBM技術制備的鈦合金植入體已經在醫用骨科植入材料領域取得了成功，多孔鉭和CoCr合金也在臨床得到了試用，未來的市場將會呈現出爆發式的增長。但現階段由于性能評價體系的欠缺和準入門檻的限制，個性化的植入體距離規模應用還需在生產成本、行業標準與評價體系建立等方面進行大量的工作。3D打印技術的新突破和新成就還需先進的技術團隊、醫療器械公司、臨床醫生及政府監管部門的共同協作和努力，從而共同推動3D打印技術在骨科植入材料領域的發展，使得該項技術早日造福于民。