梯度植入物的发展趋势与机遇，洞悉3D打印成就下一代骨科产品

     基于目标函数，AM增材制造的多孔结构中的孔隙特征分布可以是均匀的或不均匀的。均匀支架具有特定形状和孔隙率的晶胞，而非均匀（梯度）支架包括晶胞阵列，其中孔隙特征在设计空间中空间变化以在支架中实现一种或多种功能。

        通过将 TPMS 方程的常数（例如孔隙度梯度的偏移值 C）定义为空间矢量的函数，梯度植入物已被研究最近用于解决多个相互冲突的设计要求。本期，3D科学谷将与谷友一起全面回顾高级梯度支架带来的主要趋势和机遇。

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数字材料带来骨科新发展

       3D打印-增材制造可以在不同材料分布的帮助下根据负载和其他要求调整局部密度。此外，借助定制的数字材料，可以优化组件的重量、成本和生产时间。增材制造 (AM) 作为一项突破性的生产技术，由于其几何自由度和免模具生产，成为可以高效生产数字材料的工艺。

 梯度化孔隙率和晶胞大小

       在设计参数中，支架的孔隙率被认为是局部控制机械性能和渗透性的关键参数。孔隙率梯度是天然骨骼内部结构的主要特征，有趣的是，局部孔隙特征会根据个人日常活动的特定模式动态变化，以使其结构保持最坚固和机械优化。因此，一种设计最佳支架的方法是基于从骨孔隙率分布本身中吸取的经验教训。为此，使用 CT 成像研究不同截面的骨骼相对密度，并根据密度-刚度关系确定其局部刚度。可以相应地设计支架相应部分的支柱的厚度。

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通过改变概率球的大小来模拟宿主组织，可以使用类似的方法通过 Voronoi-Tessellation 制造分级支架，可以在基于梯度 TPMS 的支架中设计孔径和孔隙率，以模拟天然骨组织的内部结构，从而改善骨组织生长。

旨在满足骨构造中相互冲突的要求的功能分级支架示例。(A) 基于骨骼局部刚度设计的具有梯度孔隙率的随机多孔支架。(B) 基于 Voronoi-Tessellation 方法使用各种大小的概率球生成多孔支架的步骤。(C) 具有 (i) 通过改变片材厚度和 (ii) 晶胞尺寸产生的分级孔隙率的基于片材的陀螺结构。(D) 通过改变片材厚度来模拟特定组织类型，在支架内进行局部刚度设计。(E) 各种孔径的支架内的骨再生，包括 (i) 300-500 μm，(ii) 200-600 μm，(iii) 100-700 μm，和 (iv) (v) 植入后无孔手术。(vi) 每总体积的骨体积和 (vii) 支架的推出力 (N)。

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       可以通过在一个支架结构中组合不同孔特性的功能来满足相互矛盾的需求。例如，很明显，高强度需要高相对密度；然而，骨向内生长和支架整合在低相对密度下是有利的。据报道，高孔隙率（或高渗透性）促进骨形成，而软骨形成发生在孔隙率较低的情况下。实现机械功能和高外周渗透性的一种潜在解决方案是基于径向梯度模式，其中植入物/组织界面处的低相对密度朝向支架中心逐渐增加，以沿负载轴加强结构。对圆柱形支架的计算和实验研究表明，与均匀孔隙度对应物相比，径向渐变多孔 TPMS 支架显示出增强的流体生物渗透性。研究表明分级铝基晶格结构中的相对平台强度可以是均匀基结构的 2 倍。此外，渐变晶格结构显示出较低的相对杨氏模量，可以更好地模拟天然骨组织。

      除了相对密度之外，单位晶胞大小已被设计为逐渐变化以模仿天然骨骼结构，研究表明，与无孔支架相比，具有渐变孔隙率的 P 表面拓扑结构中的骨再生可以大约高出三倍。在多孔支架中观察到更高的推出力进一步证实了这一点。

 孔形梯度

       空间变化的孔隙拓扑结构自然存在于多孔组织结构中，例如骨小梁。孔隙形状的平滑变化可以对微观和宏观尺度的性质进行局部控制，这在均匀拓扑中可能是不可行的。通过定义 TPMS方程中的权重函数，TPMS 设计可用于设计在孔隙形状上具有尖锐和/或平滑过渡的多孔形状结构。

        研究发现采用渐变孔形状设计可以解决髋关节置换植入物的松动问题。植入物松动主要是由于微尺度变形经常使植入物从天然骨骼中解体。常规和拉胀孔拓扑分别设计在髋关节植入物的压缩和拉伸区域，以防止在生理活动期间从宿主骨中回缩。

具有孔形梯度的多孔金属生物材料示例。(A) 基于片材的 TPMS 支架内的多种拓扑结构，从金刚石形状到陀螺仪形状的平滑过渡。(B) 混合植入物设计，包括具有各种内角的传统和拉胀晶格。

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 梯度复合材料

根据德国弗朗霍夫研究所-Fraunhofer，未来制造业竞争的关键是材料，以数字形式提供材料的行为，将产品开发与材料开发关联，通过工业 4.0将材料信息链接到整个加工应用链条中，大幅降低材料的全寿命应用成本。

为了模拟天然组织的生理特性，需要支架来呈现天然组织的物理和化学信号。具有物理和化学性质梯度的支架在机械和生物性能方面显示出应用前景。例如，与由单独支持骨和软骨形成的单相和多相材料类型组成的支架相比，具有功能分级材料分布的支架可以加速骨软骨 (OC) 缺陷的愈合。

多材料3D打印是制造具有物理和化学性质梯度的支架的众所周知的方法之一；然而，它主要用于基于墨水的 3D 打印多材料非金属植入物。金属方面，激光定向能量沉积是金属多材料 3D 打印最流行的方法。科研人员曾使用激光熔化沉积法制造了 Ti-6Al-4V 的功能梯度复合材料，并用 TiC 颗粒增强，而 TiC 的浓度从下到上从 0% 逐渐变化到 50%。

图：生物医学结构的金属增材制造 (AM) 材料梯度示例。(A) 激光熔化沉积 Ti-6Al-4V 增强 TiC 颗粒，TiC 浓度从下到上从 0% 到 50% 不等。(B) 具有纯 Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V + Al2 层的多材料结构的激光工程净成形O3 和纯 Al2O3。

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未熔粉末的数量和结构的内部微孔率随着 TiC 浓度的增加而增加。结果表明，增加 TiC 颗粒可使 TiCp/Ti-6Al-4V 复合材料的硬度提高 94%。通过添加高达 5% 的 TiC，拉伸性能得到改善，而超过该数量会导致拉伸性能下降。使用 LENS 工艺制造了一种成分梯度结构，包括 Ti-6Al-4V、Al2O3 和 Ti-6Al-4V + Al2O3 层，不同层的显微硬度和元素组成不同。此外，利用 LENS 制造方法，科研人员制造了碳化钒 (VC) 和不锈钢 304 的成分梯度结构。从 5 到 100 wt% 的各种比例的 VC 与不锈钢 304 混合，以实现广泛的耐磨性和硬度。

 加速发展的数字材料

综上所述，3D打印与数字骨科的发展相辅相成，从而使得数字材料在植入物领域的发展踏上了加速之路。

      国际上，为了推动数字材料在工业应用中的非凡潜力，亚琛工业大学数字增材生产 DAP 学院专注于开发用于生成智能数字材料的创新及高效算法。开发的解决方案侧重点是在未来生成数字材料时可以自动集成生产和应用相关的条件，从而使得设计更轻松更智能化。在材料的智能化数字化方面，亚琛工业大学数字增材生产 DAP 学院目前的主要开发重点在以下领域：

• 考虑制造限制（例如临界悬角或最小可实现特征尺寸）的点阵晶格结构生成算法
• 基于负载和边界条件的自适应网格结构生成
• 共形晶格结构生成
• 局部或全局晶格结构的细化算法
• 拓扑优化算法

l 参考资料：“Additively manufactured metallic biomaterials”