一文洞悉电子束熔化EBM 3D打印技术定制医疗植入物的最新发展

根据3D科学谷的市场观察，越来越多的医疗保健专业人员（不仅仅是骨科）发现3D 打印定制植入物、设备和仪器方面的潜力，增材制造在医疗领域的应用将变得越来越普遍，并且越来越接近医院园区的患者。
在本文中，3D科学谷将结合GE的案例来进一步揭示电子束熔化 (EBM) 和新兴的不断发展的材料如何迅速成为医疗植入物和设备领域所青睐的技术。

© 3D科学谷《3D打印与骨科植入物白皮书》
更微观、更一体化
/ EBM 3D打印材料和医疗应用
根据GE，已经有几种可以 3D 打印的材料——基于现有的植入材料，如不锈钢、Ti-6Al-4V (Ti64) 和钴铬合金——这些材料可以通过多种不同的方式进行定制，以适应每个患者的需要。
由于 3D 打印提供了一种创建定制植入物的方法，与定制现有材料相比，获得新材料认证的时间和费用是不太理想的选择。未来的变化将是使用相同的批准材料，但可调整材料微观结构。
Ti64 钛仍然是医疗客户的常见材料选择之一，因为钛为增材制造的用户提供了灵活性。未来的一种潜力是创造不同的微观结构，使合金在某些植入物和应用中变得坚固，同时在其他植入物和应用中变得更柔软和可扩展，例如脊柱融合器。
钴铬合金是另一种仍然需要用于植入物的“主力”合金，特别是用于股骨膝关节部件和双活动髋关节杯，目前临床上仍然没有其他材料可以反映其特性。不过虽然钴铬合金和 Ti64 都非常适合通过EBM来加工，但并非所有患者都适合钴铬合金植入物。
另一种正在使用的植入材料是用于骨板（以及手术工具）的不锈钢。然而，虽然可以使用 EBM 创建这些植入物，但需要执行额外的表面处理步骤以获得合适的产品。因此，目前不锈钢通常通过选区金属激光熔化金属3D打印技术来加工。

/ 医疗植入物市场的可定制解决方案

尽管在体内临床环境中可以使用哪些材料存在限制，但与现成的植入物相比，定制适合患者的现有材料可以带来增强的功能。
可以采用抛光或粗糙表面的形式，以及定制植入物结构特性的不同微结构。使用现有（和临床批准的）材料制造可满足每位患者确切需求的植入物的能力还有助于减少与寻找适合所有手术场景的新临床合适材料相关的时间和成本。
今天，外科医生和医疗设备设计师正在寻求采用他们过去使用过的先前植入产品，从头开始重新设计它们，使其更具功能性，并根据患者的需求定制特定的特性。就定制而言，根据具体情况创建定制部件的能力是可以实现的最高级的定制级别之一。
在使用 EBM 定制植入物时，通常可以采用两种方法：
方法一：改变材料的化学性质
通过改变材料的化学性质来优化植入物的特性，使其仍然符合所需的规格，但具有增强的性能。预计未来这将通过调整零件的微观结构或在打印过程中更改工艺参数来实现，从而实现不同的化学成分。一个例子是实现更硬、耐疲劳的特性，以及具有多功能性的植入物。
方法二：植入物结构一体化实现
采用传统制造的产品并为其增加独特性，预计这在未来会更加普遍。这可能会导致将几个不同的植入物组件整合到一个单一的植入物中，而无需在手术过程中将它们组合起来。这种方法已经在航空航天工业中成功部署，数百个零件被提炼成少数零件。这种方法很可能在未来几年渗透到医疗器械领域。
定制植入物以满足每位患者的特定需求的能力不仅可以减少以后进行的修复手术，而且还可以减少患者在手术时的不适感，从而缩短住院时间。在宏观层面上，为每位患者定制植入物不仅有助于为患者提供更好的手术体验，还可以节省资金。

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/ 端到端的解决方案
从最初诊断到外科医生能够将植入物插入患者体内所花费的时间至关重要。除了使设计师能够定制植入物外，EBM 电子束金属3D打印技术还提供了一种方法来减少外科医生接收植入物所需时间的优势。
由于许多后处理步骤可能需要很长时间（尤其是在将运输时间也考虑在内的情况下），因此需要根据应用程序来确定是否需要进行后处理或花费更长的时间进行打印。这通常也取决于其他可用的设备。
在这里，外科医生、设计师和增材制造机器制造商之间建立更密切的关系可以帮助那些想要使用金属 3D 打印植入物但不一定知道从哪里开始或将精力集中在哪里的人。由于定制植入物需要高度定制，因此这种协作比其他应用程序更为重要。目前，一些用户可能会在试图了解如何使用金属3D打印的过程中迷失方向。
在传统的批量生产制造环境中，有经过验证的测试有助于对不同植入物的特性进行分类。然而，个体植入物的定制性质——以及将植入物植入患者体内所需的较短交货时间——意味着必须验证生产过程以适应定制植入物的每一种变化，而不是依赖于部分测试结构。
拥有经过验证的工艺窗口，可以自信地打印应用程序的这些不同变体，而无需测试实际零件。当前的3D打印-增材制造专家现在致力于统计过程控制，这将能够帮助外科医生为不同场景创建零件——无论是为了快速生产还是优化过程。
根据GE，当前整个医疗领域有 100 多台 EBM 电子束金属3D打印设备在使用，该技术在定制植入物领域具有未开发的潜力。关于EBM电子束金属3D打印技术的应用发展，3D科学谷将保持持续关注。
更多信息，欢迎参考3D科学谷发布的《3D打印与骨科植入物白皮书》。