通快前沿科技丨用非晶态金属打印人体骨骼

国际金属加工网 2021年06月15日

目前贺利氏 Amloy 部门正在致力于实现制造出一种在骨梁结构上完全契合人体本身骨组织结构,并且在承载应力上的效能完全达到仿生效果的植入体。

接下来小编将以问答形式带领大家走进 3D 打印人体骨骼的世界

1

Q

使用 3D 打印制造精密移植物

这项技术设想目前最大的障碍是什么?

A

最大的问题是打印的种植体在机械性能上是否有完全的仿生特征。人类的骨骼本身是十分轻质化,但同时兼有强度和韧性。而现有的材料往往鱼与熊掌不可兼得。金属材料往往太过坚硬,而聚合物却强度不足。但是 3D 打印技术最终是能克服这些障碍最终制造出定制的种植体的最佳选择。

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贺利氏 Amloy 部门市场和销售主管 Valeska Melde 女士

2

Q

这是可期望的事吗?

A

是的!就目前的情况而言,外科医生常常不得不随机应变,使用各种方法将标准种植体来适配患者的身体的形状和尺寸。他们现在只能徒手将标准种植体把它们弯曲成最终的形状,然后用螺丝钉固定好,但是这并不是最优化的临床操作,这也是我们想要通过 3D 打印改变的地方。

3

Q

那么如何实现呢?

A

通过使用一种独特的材料--非晶态金属来打印精密移植体。

4

Q

听起来很不错,但是非晶态金属是什么?

A

在正常的熔融金属中,原子会四处振荡。当温度下降时,它们会减速并以能量最有利的形式排列,即晶体晶格结构。然而,如果熔化的金属以 200 开尔文/秒的速度冷却,原子就无法排列自己在金属晶体的晶格位置,而是冻结在一种近似于熔化的混沌状态。原子混乱的排布顺序保留在固体金属中,是金属无法变成有正确晶格顺序的晶体。在贺利氏 Amloy 部门里,开发了能够实现这一过程的合金。并且同样的现象也可以在玻璃中观察到,这就是为什么非晶态金属也被称为“金属玻璃”。

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非晶态金属

5

Q

这对移植体有什么帮助呢?

A

由于非晶态金属没有任何晶体结构,它们的表现与“正常”金属非常不同。例如,它们非常坚固,高度灵活,特别耐磨损。因此,就像骨头一样,移植体能够承受相当大的压力和张力。这种压力和张力往往并不以拉伸或者敲击这种简单的形式传递到骨头上。更多是类似于颚骨承受的来自咬和咀嚼动作的载荷这种复杂的应力传递形式,抑或是类似肋骨每年要忍受大约 800 万次的呼吸动作这样的复杂应力传递过程。

6

Q

3D 打印可以使用非晶态金属吗?

A

这是毫无疑问的! 贺利氏在与我们通快的合作中,对工艺参数进行了大量地调整,以便能够十分精确地用一个极小的激光焦点来熔融极少量的金属粉末。而在这瞬发的激光焦距中,熔融金属内的热量流很快就被周围的金属固体传导走了。这样一来,在焦距范围内的金属以 200 开尔文/秒的临界冷却速率快速冷却形成非晶态。 当以这种可控的熔融过程打印一个种植体时,就能在粉床中得到一个完全非晶态的实体。

7

Q

所以合二为一了吗?

A

非晶态金属的打印给我们提供的优势还不止于材料性能本身! 非晶态金属的 3D 打印提供了另一个决定性的优势: 当涉及到合金时,我们可以更加灵活地选择其他的合金元素。现在已经有了锆基合金,同时贺利氏也在研究一种非晶态的钛基合金,正在优化这个合金和其他所有合金以用于 3D 打印。这种合金在医疗技术领域尤其受欢迎,因为非晶合金具有与人体骨骼相似的弹性模量,在临床植入的过程中有着能过缩短人骨创口愈合时间的巨大优势,并且这种合金是耐腐蚀和具有生物相容性的。

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用非晶态金属通过通快 TruPrint 2000 打印出来的人体骨骼植入体

8

Q

什么时候可以安装第一个打印植入物?

A

这正是目前贺利氏在与我们通快等合作伙伴一起测试作为 Graz 大学医疗应用临床增材制造(CAMed)项目的一部分内容。结果是令人振奋的,已经能够制造可以通过测试并且得到客户认可的移植体,所以打印骨骼的想法已经成为现实。

贺利氏 Amloy 部门在通快的 TruPrint 2000 上用非晶金属打印半径板。3D 打印机制作的定制植入物将彻底改变医疗技术,贺利氏 Amloy 部门的市场和销售主管 Valeska Melde 女士对此信心十足。

关于贺利氏非晶态金属

贺利氏非晶态金属致力于非晶态金属的开发与加工。非晶态金属具有高强度、高弹性和耐腐蚀性等独一无二的材料特性,在最新的高科技应用中拥有广阔的前景。

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(激光市场部 通快)

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