3D打印多孔钛合金桩的粘接强度及粘接破坏模式和表面、粘接界面特征

目的 观察3D打印多孔钛合金桩的粘接强度及粘接破坏模式和表面、粘接界面特征,以期利用多孔结构的机械嵌合来提高金属桩核的粘接强度。方法 实验设计4组,A组选取10根预成纤维桩,扫描并获取三维数据,B、C、D组均使用A组获得的数据分别进行3D打印实心钛合金桩、3D打印多孔钛合金桩、氧化锆桩的设计与制作,将各组桩包埋、切片,使用万能力学实验机将桩从桩核树脂中推出,记录各组桩的粘接强度和粘接破坏模式,并用扫描电镜观察桩的表面、粘接界面特征。结果 A、B、C、D组粘接强度分别为(229.11±80.15)、(389.29±58.39)、(572.35±128.08)、(137.54±26.81)MPa,组间两两比较,P均<0.05。A、B、C、D组粘接界面破坏的例数分别为7、2、1、8例,粘接内部破坏的例数分别为0、1、3、0例,混合粘接破坏的例数分别为3、7、6、2例,组间两两比较,P均<0.05。A组扫描电镜下可见纤维桩表面大量排列紧密的纤维束,纤维桩与桩核树脂结合紧密;B组可见3D打印实心钛合金桩的表面有大量点状颗粒,点状颗粒间可见树脂嵌入,钛合金实心桩与桩核树脂结合紧密;C组可见3D打印多孔钛合金桩表面大量不规则空隙,桩的表面也存在大量点状颗粒,在颗粒间以及空隙间可见大量树脂嵌入,极大的增加了桩与桩核树脂的机械嵌合作用;D组可见氧化锆桩和表面相对平整,桩与桩核树脂结合紧密,机械嵌合明显少于前面三组。结论 与预成纤维桩、氧化锆桩和3D打印实心钛合金桩相比,使用3D打印技术制作的多孔钛合金桩,粘接强度有明显的提升,粘接破坏模式主要为混合粘接破坏,桩表面有大量不规则空隙及点状颗粒,在颗粒间及空隙间可见大量树脂嵌入,极大增加了桩与桩核树脂的机械嵌合作用。

基于钛合金(TC4)材料的义齿逆向设计及3D打印技术分析

3D打印技术为义齿的设计和制造带来了新的思路和方法。逆向设计是3D打印技术的核心之一,可以根据患者的口腔模型反推设计方案,以确保义齿在功能、美学和稳定性等方面符合患者的需求。此外,3D打印技术还可以实现个性化制作,满足患者个体化需求。因此,对基于钛合金(TC4)材料的义齿逆向设计及3D打印技术进行了分析和研究。

3D打印钛合金的制备与组织性能研究

采用3D打印的方法制备了不同C含量(质量分数)的Ti-4Al-3V-x C钛合金(x=0,0.12,0.23,0.39和0.62),对比分析了不同C含量钛合金的显微组织、硬度、蠕变性能和拉伸性能。结果表明,添加C的钛合金的硬度和弹性模量都高于未添加C的钛合金,且随着C含量从0.12%增加至0.62%,含C钛合金的硬度和弹性模量逐渐增加;随着保压时间的延长,不同C含量的钛合金的蠕变深度都呈现逐渐增加的趋势,但是在相同保压时间下,含C钛合金的蠕变深度都小于不含C钛合金,且C含量越高则钛合金的蠕变深度越小。含C钛合金的抗拉强度和屈服强度都高于不含C钛合金,而断后伸长率都低于不含C钛合金,尤其是当C含量增加至0.39%及以上时,含C钛合金的断后伸长率下降较为明显。当C含量为0.23%时,3D打印钛合金的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率高于铸造TC4钛合金和锻态TC4钛合金,具有相对较好的综合性能。

电弧3D打印TC4钛合金的组织与性能研究

采用冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)焊接技术制备了TC4钛合金件,研究了TC4钛合金增材体的显微组织和力学性能。结果表明:TC4钛合金打印态的表面成形良好,电弧3D打印TC4钛合金高度方向宏观组织上为外延生长的粗大β柱状晶形态,组织由α相和β相组成。增材体的顶部为针状马氏体区,中部为细小的层片状网篮组织,基材结合处主要由层片状组织、β相以及少量残余α'相组成。所制备的成形件硬度较基材的高,表层部分硬度最大。室温拉伸性能呈现出明显的各向异性,水平方向拉伸强度较高,沿增材高度方向的塑性较高。室温冲击韧度未呈现出明显的各向异性,Aku2均达到70 J/cm2。

3D打印梯度多孔钛合金支架表面纳米结构化改性

通过3D打印技术制备具有梯度结构的微米级多孔钛合金支架,解决了不同患者对骨缺损修复支架的个性化需求。然而,由于钛合金本身的生物惰性,多孔钛合金支架植入人体后骨整合能力较差。为提高支架的生物活性,采用电化学阳极氧化对多孔支架表面进行纳米结构化改性。本文探究了氧化电压、氧化时间和电解液对梯度多孔钛合金表面制备TNTs(二氧化钛纳米管)的影响规律。结果表明,采用两次阳极氧化的方法,电解液为0.3wt%氟化铵+2vol%去离子水+1.5mol/L乳酸的乙二醇溶液,氧化电压为100 V,氧化时间为1 h时,可在支架表面制备出形貌高度有序的TNTs涂层。对氧化处理后的多孔钛合金支架进行500℃退火处理,表面TNTs涂层的晶型结构由无定型结构转变为更有利于蛋白吸附和细胞增殖的锐钛矿和金红石的混合晶型结构。通过电化学腐蚀试验发现经过阳极氧化处理的多孔钛合金支架具有更好的耐腐蚀性。

热处理技术对3D打印钛合金试件机械性能的影响

背景:近年来,增材制造(又称3D打印)逐渐成为制作可摘局部义齿钛合金支架的主流方式。热处理作为改善3D打印钛合金支架机械性能的重要方法而成为目前的关注热点。目的:总结目前应用于3D打印钛合金试件的主要热处理技术(包括退火处理、固溶时效处理、热等静压处理及其他热处理)以及这些热处理技术对3D打印钛合金试件机械性能、微观结构的影响,为改进可摘局部义齿钛合金支架的热处理技术提供理论依据。方法:采用计算机检索中国知网、PubMed和ScienceDirect数据库中有关3D打印钛合金热处理试件的文献资料,检索时限为2012-2023年,根据纳入和排除标准,最终选取61篇文献进行综述分析。结果与结论:①使用常规退火技术处理3D打印钛合金试件,使其在500-900℃下保持2-4 h,能有效增加3D打印钛合金试件的延伸率。②固溶时效处理相较于常规退火技术更复杂,固溶时效处理后的钛合金试件在屈服强度方面表现突出,并且有更好的耐腐蚀性;但固溶时效处理后的3D打印钛合金试件在延伸性方面没有优势。③热等静压处理可以减少3D打印钛合金试件的内部缺陷,可明显增加3D打印钛合金试件延伸率,并增加其疲劳寿命。④快速热处理可以明显提高3D打印钛合金试件的延伸率,并且速度更快,在延伸率提升和热处理效率方面,比以往常规的退火更具优势。⑤循环热处理对3D打印钛合金试件延伸率的提升超过了常规退火,循环热处理可明显改善3D打印钛合金试件的晶粒结构,但热处理时间过长,效率较低。

3D打印多孔钛合金支架的研究进展

医用钛合金凭借良好的生物相容性,优秀的机械强度和耐腐蚀性成为骨科修复领域应用最广泛的植入材料之一[1-2]。然而传统致密钛合金植入物的弹性模量远高于人体骨组织,由此产生的应力屏蔽效应使周围骨质长期处于较低的应力水平而逐渐被吸收,最终引发植入物无菌性松动[3]。研究表明,通过3D打印制备多孔支架是消除这种弹性模量不匹配的有效方法[4]。多孔支架能促进骨长入和骨整合,使骨和多孔结构之间形成机械连锁来提高固定效果[3],但促进其成骨的最佳孔隙尺寸目前尚无统一标准[5]。

3D打印生物医用钛合金粉末研究进展

钛合金具有优异的力学性能和良好的生物相容性,在硬组织植入方面应用广泛。介绍了目前常用钛合金粉末制备方法(气体雾化法、等离子旋转电极法、等离子体雾化法等)的原理和工艺特点,比较了不同方法制备出粉末的性能特点,以期为3D打印制造出性能优异的医用钛合金种植体提供思路。

挤出成形3D打印仿生骨植入钛合金支架制备工艺及性能研究

采用万能试验机和扫描电子显微镜研究了挤出成形3D打印Ti6Al4V钛合金支架的制备工艺、力学性能及微观结构,介绍了采用聚乙烯醇(PVA)水凝胶制备钛合金支架的方法,研究了浆料PVA含量、脱脂温度和烧结温度对制备工艺的影响规律,分析了钛合金支架孔隙率与力学性能的关系。结果表明:采用PVA水凝胶制备钛合金支架可以获得分布均匀且高度互联的多孔结构,当浆料PVA质量分数为15%,脱脂温度和烧结温度分别设定为360℃和1300℃时,制备工艺最佳。孔隙率为59.8%的钛合金支架表现出与人体骨骼相匹配的力学性能,可避免应力遮蔽效应。

个性化3D打印钛合金舟骨部分置换术后有限元模型的建立及生物力学分析

目的建立腕关节三维有限元模型,研究个性化3D打印舟骨部分置换术后腕关节及假体在不同角度运动中的应力分布和形变,为假体设计与优化提供依据,为临床应用提供生物力学支持。方法导入1例左腕舟骨骨折伴骨缺失患者的腕关节CT数据及个性化3D打印钛合金舟骨部分置换假体数据,建立有限元模型,分析不同运动方向腕关节整体形变、应力分布及假体与螺钉应力分布。结果随运动角度增加,腕关节整体形变与应力均有所增大,但无明显应力集中区、应力遮蔽等问题。假体应力集中在舟骨连接处,极度掌屈时最大(264.45 MPa);螺钉应力集中在腰部,极度尺偏时最大(116.13MPa),均未超材料强度。结论个性化3D打印钛合金舟骨部分置换术后,腕关节整体形变小、应力分布合理,无过度集中或遮蔽问题,最大应力远低于材料屈服强度。该手术方式可匹配患者解剖特征,具有良好生物力学性能,是治疗腕舟骨骨不连伴骨坏死的合适选择。

3D打印技术在钛及钛合金精密铸造工艺中的应用研究

钛及钛合金因其优异的机械性能、耐腐蚀性和生物相容性,在航空航天、生物医疗等领域具有广泛应用。然而,传统铸造工艺存在精度不高、成本较高等问题。3D打印技术提供了一种新的解决方案,能够实现复杂结构的快速成型,提高铸造精度,降低成本,缩短生产周期。本文对3D打印技术的含义和钛及钛合金材料特性进行了概述,并探讨了3D打印技术在钛合金精密铸造工艺中的应用情况。通过研究,为钛及钛合金精密铸造工艺的改进提供了新思路和方法,同时,分析了3D打印技术在钛及钛合金精密铸造工艺中的前景与挑战。

个性化3D打印钛合金填充块在复杂髋关节翻修术中应用的可行性及疗效

目的分析在复杂髋关节翻修重建中采用个性化3D打印钛合金填充块的可行性。方法选择2021年3月至2023年1月该院全髋关节置换术后需关节翻修的40例患者,将其分为3D打印组与对照组,各20例。3D打印组给予个性化3D打印钛合金填充块技术进行翻修治疗,对照组采用常规全髋关节翻修治疗,比较2组手术时间、术中出血量、髋关节功能评分、并发症。结果3D打印组手术时间[(120.56±8.13)min]、术中出血量[(312.57±24.65)mL]低于对照组[(132.67±8.27)min、(342.64±25.47)mL],差异均有统计学意义(t=5.720,P<0.001;t=4.647,P<0.001)。治疗后3D打印组髋关节功能评分[(87.69±6.35)分]高于对照组[(72.56±6.27)分],差异有统计学意义(t=9.286,P<0.001);并发症发生率(5.00%)低于对照组(20.00%),差异有统计学意义(χ^(2)=4.706,P=0.030)。结论个性化3D打印钛合金填充块在髋臼侧严重骨缺损髋关节翻修术中的应用效果突出,可节约手术时间,术中出血较少,患者术后髋关节功能改善明显,减少相关并发症的发生。

基于3D打印蜡模的钛合金铸件质量控制及工艺优化

3D打印技术关注度日增,制造业内的发展潜力不可估量。针对3D打印制造钛合金零件过程中易现的尺寸偏差、表面粗糙等问题,通过实验研究,推出了一项基于蜡模的质量控制处理及工艺优化方法。首先,用3D打印技术创建蜡模,接着采用蜡模进行砂型铸造。这样一来,就可规避直接使用3D打印制造金属零件可能出现的问题。根据实验结果,此种制造方式能有效提升铸件品质,减少尺寸差异,提升表面处理效果。基于蜡模,熔模铸造的工艺流程得以进一步改良,涵盖了温度管理和冷却速率等方面,以期提升铸件的内在属性指标,如机械性能及微观构造等。以此研究为基础,我们期望能推动3D打印与传统铸造工艺的结合,为复杂零件的制造提供新的解决方案,同时提高产品的质量和生产效率。

钛合金薄壁件3D打印工艺技术

针对钛合金薄壁零件在新品制造中,存在生产周期长、成本高、加工变形等诸多问题,通过对合金薄壁壳体零件采用3D打印制造技术,对3D打印毛坯设计、设备选择、成型过程控制、后续处理,以及后续机加进行引用研究。该研究应用对航空新品类似零件的生产加工有很好的使用和参考价值。

3D打印钛及钛合金医疗器械的优势及临床应用研究

3D打印钛及钛合金医疗器械在口腔医学中的临床应用研究,进一步推动我国口腔医学的发展。方法 采用3D打印技术打印钛及钛合金医疗器械,并将其应用于口腔医学中。结果 经过临床观察和对比,发现3D打印钛及钛合金医疗器械与传统金属医疗器械相比具有以下特点:①生产效率高、周期短、成本低;②材料密度小,生物相容性好,无明显的过敏反应;③与其他金属相比,抗腐蚀性能好,适用于口腔疾病的治疗。结论 3D打印钛及钛合金医疗器械具有结构简单、操作方便、加工速度快等特点,为口腔疾病治疗提供了新的方法和思路,且具有广阔的发展前景。但其仍需进一步完善和改进,如材料表面处理、表面功能化等。

国产3D打印钛合金骨小梁臼杯在髋关节翻修术中的短期临床和影像学评价

目的:研究、评价计算机模拟及模型辅助下国产3D打印多孔钛合金骨小梁髋臼杯行髋关节翻修术后的短期临床、影像学结果。方法:回顾性分析应用计算机模拟及模型辅助下3D打印多孔骨小梁钛合金髋臼假体行髋关节翻修术的11例患者临床资料,评估该项技术的早期临床疗效。结果:所有患者平均随访(30.9±6.1)个月,其中6例患者共使用了7块髋臼垫块。85.7%(6/7)的垫块尺寸与术前设计一致,1例(14.3%)患者使用比术前设计大一号的垫块。术中选用髋臼尺寸与术前设计的符合率为81.8%(9/11)。末次随访,所有患者术侧髋功能HSS及WOMAC评分均较术前有提升(P<0.05)。术侧髋臼假体(聚乙烯内杯)外展角平均为(35.3±6.1)°,前倾角平均为(19.5±4.1)°。在安全区内的髋臼假体由术前的18.2%(2/11)增加到术后的81.8%(9/11)(P<0.05)。术后,手术侧垂直旋转中心(CORver)及水平旋转中心(CORhor)均较术前得到一定程度的修正和改善。髋臼假体(外杯)平均骨覆盖为(85.6±6.2)%。末次随访,所有臼杯均显示出良好的骨整合。结论:术前使用医工交互平台模拟3D重建方案,并于3D打印骨盆上预演手术,可提前预测和准备术中垫块的类型、大小、数量、位置,髋臼杯的大小、植入位置、角度、初始覆盖,及髋臼螺钉的植入轨迹。结合国产3D打印多孔钛合金骨小梁髋臼杯进行重建,为患者提供满意的短期临床及影像学结果。

3D打印对多孔BMP-2复合涂层钛合金试件BMP-2装载、释放及成骨细胞增殖、分化的影响

目的探讨3D打印对多孔BMP-2复合涂层钛合金试件BMP-2装载率、累计释放率及成骨细胞增殖、分化的影响。方法取制备成功的3D打印多孔BMP-2复合涂层钛合金试件作为实验组,高温烧结多孔BMP-2复合涂层钛合金试件作为对照组。扫描电镜观察多孔BMP-2复合涂层钛合金试件微孔的大小、形状、孔径、孔隙率、孔深度等表征;125I放射性标记法测定BMP-2的装载率;ELISA试剂盒测定BMP-2累计释放率;扫描电镜观察MC3T3-E1细胞在多孔BMP-2复合涂层钛合金试件上的生长情况;CCK-8法检测细胞增殖能力;qRT-PCR法检测RUNX2、ALP、OCN、OPN mRNA表达;Western blotting法检测RUNX2、ALP、OCN、OPN蛋白表达。结果与对照组比较,实验组孔径、孔深度、BMP-2装载率、BMP-2累计释放率(1、3、6、9、12、15、18、21 d)、MC3T3-E1细胞的增殖能力(3、5 d时)、RUNX2、ALP、OCN、OPN mRNA及蛋白表达升高(P均<0.05),孔隙率为(68.24±2.31)%。培养7 d后,对照组试件表面可见排列紧密的细胞层覆盖部分孔径较小的孔,而实验组试件表面可见致密的细胞层汇聚在孔径较大的孔中。结论3D打印多孔BMP-2复合涂层钛合金试件的BMP-2装载率、累计释放率高,且该试件可促进成骨细胞的增殖与分化。

3D打印微孔钛合金融合器用于颈椎前路减压植骨融合对颈椎解剖学及应激激素的影响

背景:3D打印微孔钛合金融合器具备与松质骨、椎体皮质骨较为接近的弹性模量,进一步分析其临床应用效果,对颈椎手术中融合器的合理选择具有重要的指导意义。目的:探讨3D打印微孔钛合金融合器在颈椎前路减压植骨融合中的应用效果,以及其对患者颈椎解剖学、应激激素的影响。方法:选择2016年3月至2021年9月长沙市第一医院收治的脊髓型颈椎病患者90例,男46例,女44例,年龄(46.85±9.74)岁,采用随机数字表法分为2组,对照组(n=45)颈椎前路减压植骨融合术中置入聚醚醚酮椎间融合器与自体骨,观察组(n=45)颈椎前路减压植骨融合术中置入3D打印微孔钛合金融合器。术后1周,采用日本骨科协会脊髓功能量表评价疗效;术后3d及3个月,拍摄颈椎X射线片记录颈部解剖学指标;术后1,3 d,采集静脉血检测去甲肾上腺素、皮质醇水平;术后3个月,采用颈部失能指数、日常生活能力量表评价患者肢体功能状态。结果与结论:(1)两组临床疗效优良率比较差异无显著性义(P>0.05);(2)观察组术后3个月的颈椎融合节段高度、融合节段Cobb角、T1倾斜角均高于对照组(P<0.001),术后1,3 d的皮质醇、去甲肾上腺素水平均低于对照组(P<0.001);(3)观察组术后3个月的颈部失能指数低于对照组(P<0.001),日常生活能力量表评分高于对照组(P<0.001);(4)结果表明,3D打印微孔钛合金融合器应用于颈椎前路减压植骨融合中可取得良好的效果,能减轻机体应激、改善肢体功能,同时在保持颈椎解剖形态方面具有优势。

3D打印多孔钛合金椎间融合器在颈椎前路椎间盘切除植骨融合中应用效果与安全性的Meta分析

目的:系统评价3D打印椎间融合器在颈椎前路椎间盘切除植骨融合术中的临床疗效与安全性。方法:通过检索PubMed、Embase、The Cochrane Library、CBM、CNKI、万方和维普数据库,收集各数据库建库至2022年4月有关颈椎前路椎间盘切除植骨融合术中置入3D打印椎间融合器(3D Cage)的临床对照试验文献,由2名独立研究者根据纳入、排除标准进行文献筛选、资料提取、质量评价,使用RevMan 5.3软件对结局指标进行Meta分析。结果:(1)共纳入11篇相关文献,其中2篇中等偏倚风险的随机对照试验文献,9篇高质量回顾性研究文献;共涉及患者691例,试验组(3D Cage置入)338例,对照组(其他植入物置入)353例;(2)Meta分析结果显示:两组在椎间融合率(RR=1.03,95%CI:0.98-1.07,P=0.23)方面比较无明显差异;在手术时间(MD=-11.84,95%CI:-17.12至-6.57,P<0.0001)、术中出血量(MD=-10.60,95%CI:-16.86至-4.33,P=0.0009)、并发症(RR=0.55,95%CI:0.35-0.88,P=0.01)、C2-7Cobb角(MD=4.14,95%CI:3.42-4.85,P<0.00001)、椎间隙高度(MD=0.48,95%CI:0.25-0.70,P<0.0001)以及亚组分析下的颈椎JOA评分(SMD=0.55,95%CI:0.29-0.82,P<0.0001;SMD=1.09,95%CI:0.73-1.46,P<0.00001)方面试验组优于对照组。结论:3D打印椎间融合器的椎间融合率不劣于其他植入物;3D打印椎间融合器能够缩短手术时间、减少术中出血、降低并发症发生;对于颈椎矢状位平衡以及神经功能恢复具有较好的促进作用。

3D打印钛合金植入体下颌骨修复重建远期效果观察1例

目的:对3D打印个体化钛合金植入体进行下颌骨修复重建的远期效果进行观察和分析。方法:2013年12月对1例31岁女性左侧下颌骨成釉细胞瘤患者,在实施半侧下颌骨切除术的同时,利用预成3D打印个体化钛合金植入体进行即刻修复重建,并对修复重建效果进行随访观察。结果:患者术后病情稳定,无复发现象,患者对下颌骨修复重建后的功能和形态均满意。结论:7年的随访观察显示,采用3D打印个体化钛合金植入体进行下颌骨修复重建,能够取得稳定的远期临床效果。该方法手术步骤简单、治疗周期较短,特别是避免了自体骨移植的痛苦和损伤,其效果与正确的适应证选择、合理的植入体设计密切相关。