EBM醫用金屬多孔結構的設計及孔徑測量方法

張子寬　何偉

摘要：金屬材料具較好的耐腐蝕性能和力學性能，是最早應用于臨床的生物醫用材料。但是由于金屬的彈性模量過高，使載荷不能很好地由植入體傳遞到相鄰的骨組織，植入物與人體骨骼之間出現“應力屏蔽”，造成植入體周圍骨應力吸收，致使植入體松動脫落。多孔合金的彈性模量和強度比致密體材料低，可以達到與骨組織相匹配的力學性能?；诖?，本文主要對EBM醫用金屬多孔結構的設計及孔徑測量方法進行分析探討。

關鍵詞：EBM（電子束熔融技術）；3D打??；多孔結構；骨長入

前言

EBM技術是類似于激光成形的一種快速制造技術，其工藝過程是先確定零件的三維CAD模型，然后按照一定的厚度進行分層切片處理而將零件的三維形狀數據離散成一系列二維數據，再將所得模型導入成形設備中，利用電子束在程序控制下根據模型提供的信息進行有選擇的熔化燒結，通過逐層堆積，直至整個零件完成。

1、 制備醫用金屬多孔結構的快速成形技術概述

目前，制備金屬多孔材料的方法主要包括粉末冶金法、發泡法、纖維燒結法和等離子噴涂法等，但這些方法均存在不能靈活控制孔結構，無法保證孔隙間的導通性以及無法較好地模擬與人體骨組織結構相似的孔隙結構特征等問題。 快速成形技術是基于離散堆積成形原理，由零件數字模型（ CAD 模型）直接驅動，可完成仼意復雜形狀三維實體零件的形成的技術總稱，其具有快速性、準確性及擅長制作復雜形狀實體的特性，且可以對孔結構進行設計，是較為理想的多孔材料制備方法 。

金屬快速成形技術主要包括激光熔化沉積技術（LMD）、電子束熔絲成形技術（EBF）、激光選區熔化技術（SLM）、電子束選區熔化技術（ EBM），其中激光熔化沉積技術（ LMD）、電子束熔絲成形技術（ EBF）具有成形尺寸大、成形速度快的優勢，但相對精度較差，不適合制備尺寸小、精度要求高且同時具有類骨小梁微孔結構的醫療金屬多孔結構，而激光選區熔化技術（SLM）、電子束選區熔化技術（ EBM） 均采用粉床選區熔化的工作原理，最大成形尺寸雖然較小，但精度高可成形微孔結構，同時與激光選區熔化技術相比，電子束選區熔化技術具有功率大、能量利用率高、對焦方便、可加工材料廣泛和加工效率高等優勢，同時電子束快速成形過程中有真空保護，可以防止合金氧化，樣品中內應力小，更適合于制備金屬多孔材料。

2、醫用金屬多孔結構及其模型創建方法

快速成形制備醫療植入假體多孔結構的目標為人體自身骨小梁結構，如圖1所示，骨小梁是皮質骨在松質骨內的延生部分，即骨小梁與皮質骨相連接，在骨髓腔中呈不規則立體網狀結構，絲瓜絡樣或海綿泡沫狀，起支撐造血組織的作用。采用快速成形技術制備的金屬類骨小梁結構，其內部結構與人體骨小梁結構類似程度主要取決于三維模型設計，考慮到多孔內部結構的可控性及成形工藝，目前三維模型創建類骨小梁結構多采用有序多孔結構，其模型的創建過程如下。

依據對目標多孔結構孔隙率、孔徑的要求，創建滿足要求的基礎多孔單元胞即多孔結構晶胞，如圖2（a）所示，可以是任意規則多面體，然后按照晶胞在三維空間內與相鄰各個晶胞面面重合的要求進行陣列，形成多孔結構陣列體，如圖2（b）所示，最后對該陣列體進行切割或借助實體模型進行布爾運算，創建出滿足外形輪廓、性能指標的有序多孔結構，如圖2（c）所示，該方法創建的有序多孔結構具有孔隙率、孔結構精確可控的優點。創建完成后導出STL格式模型，借助專業軟件進行切層、路徑規劃后生成ABF文件，即可導入例如EBM技術的快速成形設備中打印出金屬類骨小梁多孔結構假體。

3、快速成形技術制備的醫用金屬多孔結構孔徑尺寸的測量方法

目前快速成形制備的醫用金屬多孔結構具有最小單元一致、多孔有序尺寸規格一致、且多孔結構多與致密材料復合的特點，筆者提出的測量方法可以規避常規檢測方法缺點的同時實現對多孔結構孔徑的精確測量，為后續設計及應用提供數據支持，該方法具體步驟如下。

3.1確認孔結構類型及孔徑換算系數

如上文所述，目前采用快速成形技術制備的醫用金屬多孔結構均為最小晶胞（如圖2（a）所示）空間陣列后，根據最終需求的多孔結構形狀對多孔結構陣列體進行布爾運算得來，不同晶胞結構陣列、切割后形成的多孔結構，其孔徑形狀、空間位置關系均不同；以正十二面體為例，如圖3所示，該種晶胞形成的多孔結構孔形狀為正四邊菱形，如圖3（a）中1～4所示，其晶胞整體外形為正六面體并以正六面體為基礎進行陣列，當沿著正六面體任意一面進行觀察后，如圖3（b）所示，可見的孔包括1～4小孔及由1～4小孔外輪廓組成的“大孔”，此時可根據晶胞三維立體圖確認該多孔結構真正的待檢測孔應為1～4的小孔而非及1～4小孔外輪廓組成的“大孔”。其它類型的晶胞結構在孔結構類型及孔位置關系確認方法如上。

3.2垂直視角測量并換算多孔結構孔徑

選擇多孔結構任意一平面作為觀察面進行電鏡掃描，放大倍數根據具體孔徑設計尺寸而定進行觀察；若多孔結構表面為圓弧面或不規則形狀，則需在快速成形過程中制備具有規則平面的試樣，方便后期孔徑觀察測量。

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