融合器單次打印可達1000個! 中諾恒康談粉末床電子束3D打印醫療應用
粉末床電子束熔融（EB-PBF）成型技術于20世紀90年代中期被瑞典Arcam公司研發問世，2003年，Arcam公司推出第一代粉末床電子束熔融成型3D打印設備，電子束熔融成型進入商業化發展階段。全球范圍內，電子束熔化成型技術研究機構還有美國麻省理工學院、清華大學等。[1] 根據清華大學林峰老師在2022年TCT科技講臺中的分享，國內的電子束增材制造技術已經實現了成型尺寸和設備穩定性方面的關鍵突破，大尺寸EB-PBF設備方面已經居于世界領先地位，并實現了高強鋁合金、鈦鋁合金、難加工高溫合金等合金的成型。技術上呈現出多束源復合、高壓電子束等技術創新發展趨勢。
粉末床電子束熔化技術作為一種典型的金屬增材制造技術，在航空與醫療植入物領域得到了應用，在產業化上得到了快速發展。例如，在國際上意大利Avio公司利用該技術生產3D打印飛機發動機渦輪葉片；GH Induction通過該技術制造3D打印純銅感應線圈。在醫療植入物制造領域，全球多家骨科醫療器械制造商通過EB-PBF技術開發了3D打印植入物，并獲得了上市審批，例如全球首個3D打印髖臼杯-Delta-TT；中國骨科企業中諾恒康開發的3D打印椎間融合器等。
近日，中諾恒康結合EB-PBF 3D打印技術原理以及通過該技術開展的骨科植入產業化應用實踐，剖析了這一3D打印技術在植入物領域的應用。
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工作原理
粉末床電子束熔融（EB-PBF）是增材制造-3D打印技術的一種，是按照設計好的三維模型，基于層疊制造原理，在設備工作艙內利用高能電子束產生的高密度能量使金屬粉末熔融并相互融合，冷卻后凝固形成特定形狀的快速成型技術。尤其適用于對光能具有較高反射作用的金屬沉積成形。如在室溫下，Ti-6Al-4V 材料對激光反射較為嚴重，采用激光燒結工藝，能量利用率很低，而此材料對電子束的反射率只有10％左右，具有較高的能量利用率。這種技術可以應用在生物醫學、汽車交通、航空航天等領域。
在粉末床電子束熔融設備中，增材制造過程是在真空中進行的，以防止光束散射，其中構建室溫度可以加熱到1000℃，它使用電磁光束控制，能夠以更高的速度移動，甚至可以拆分以同時覆蓋多個區域，光束可以在開始實際熔化過程之前“預熱”每一層。理論上，在打印過程中，零件周圍的粉末半熔融的“結塊”狀態能消除對支撐結構的需求。然而，由于高變形應力，仍然需要一些支撐來從熔融材料中散熱或將部件連接到構建平臺。
在增材制造過程中，單獨的零件可以被“堆疊”在彼此的頂部，各零件具備各自支撐，實現打印效率的大幅度提升。這種零件堆疊與自支撐的方式，將減少設備停機時間和后處理的減少，從而提高生產力。
北京中諾恒康生物科技有限公司采用粉末床電子束熔融3D打印設備生產的椎間融合器，就采用了以上堆疊方式，單次打印可實現800-1000件。
中諾恒康3D打印融合器
粉末床電子束熔融工藝的特點
每種制造技術都具有其特有的優勢，也對應存在著不足，了解這些特點有助于在應用時充分發掘技術的潛能。以下列出了粉末床電子束熔融工藝的部分特點。
優點
-PBF-EBM設備的真空環境消除了產生雜質（例如氧化物和氮化物）的可能性，并且真空熔化的質量確保了材料的高強度。
-PBF-EBM是熱粉床工藝，可在整個成形過程中保持高溫，具有小溫差與低殘余應力，消除或減少了對3D打印零件熱處理的需求，從而節省熱處理時間和成本，并有助于更大的設計自由度，適于復雜零件的量產。
-得益于PBF-EBM工藝的溫度場控制，脆性和易裂性合金可以成功地進行增材制造。
缺點
-在EB-PBF過程中，粉末將被預熱，粉末將呈現假燒結狀態，這不利于小孔和間隙結構的增材制造。例如，在制造1毫米的孔結構時，容易被粉末堵塞。
-EB-PBF設備需要真空系統，具有更高的資金投入和維護。電子束技術的操作會產生X射線（解決方案：設備真空室的合理設計可以進行屏蔽）。
在醫療領域的應用
隨著金屬3D打印進入醫療領域，為臨床治療帶來了新思路，新方法。通過面向增材制造的設計以及3D打印工藝研發生產的植入物，具有更好應用恢復效果，并為骨科醫療器械企業設計開發更加復雜的植入物，提供了新方式。粉末床電子束熔融3D打印技術使得醫療器械的設計上具備了更大的自由度，可根據臨床需求完成不同要求，不同結構的設計。
目前應用這一3D打印技術制造的植入物主要分布在關節、脊柱、口腔、神經外科。
l 關節產品應用
如髖臼杯、墊塊（髖、膝）、骨盆假體（主要指腫瘤類假體），定制個體化假體。3D打印在應對特殊類關節假體，骨盆腫瘤假體方面具有凸出優勢，滿足個性化定制和精準匹配。3D打印金屬假體的應用使得骨科臨床治療取得新的突破，達到了骨長入、骨整合的終極目標，從而骨科植入物實現了真正的生物固定。
3D打印髖臼杯、墊塊及定制產品
定制個體化骨盆假體
l 脊柱外科產品應用
如椎間融合器、人工椎體、定制個體化假體（腫瘤類假體）。3D打印技術在脊柱融合領域的應用使得原本鈦籠，釘棒，peek起到支撐固定的融合方式，轉變到椎體骨長入、骨整合的融合方式，大大提高融合效率，降低沉降率，從而達到椎體融合的目的。同時其獨特的3D設計及生產方式，能滿足復雜結構多孔設計。例如，4WEB Medical 制造了一系列脊柱桁架植入物，這些植入物基于多種設計集成并根據機械生物學原理開展工作：細胞和組織的機械特性有助于發育、細胞分化、增殖和愈合。同時金屬3D打印假體在腫瘤截骨治療方面對于邊界截骨、不規則截骨、最大限度保留骨量提供了精準的方案和假體。
椎間融合器、人工椎體
無植骨窗3D打印融合器
定制人工椎體
定制人工椎體（腫瘤）
l 口腔種植及頜面外科產品應用
如種植導板及種植體、頜面修復體等。3D打印制造個性化根形種植體可以促進種植體與牙槽骨之間形成穩固的骨結合，且更好地模擬天然牙的應力分布，提高初期穩定性。同時3D打印個性化骨移植物、個性化鈦網和骨重建導板等方式增加骨量，使種植區骨量不足者種植手術成功率大大提高。對于由先天性疾病、外傷、腫瘤等因素造成的頜面部軟硬組織缺損是頜面外科常見病，頜骨結構、毗鄰關系復雜，修復難度高。而金屬3D打印技術可以直接打印骨缺損植入物用于缺損的重建，有效解決了自體骨移植的取骨量有限、第二術區創傷等問題。
3D打印頜骨
l 神經外科產品應用
如顱骨缺損重建。顱骨缺損不僅影響個人美觀與安全，而且常出現顱骨缺損綜合征，因此顱骨修補術為神經外科的常見術式。目前應用3D打印技術重建顱骨修補材料在臨床上已經反映出良好的治療效果，3D打印較傳統鈦網修補材料具有精準度更高、組織相容性更好的特點。
電子束熔融3D打印顱骨植入物
l 電子束熔融技術的未來
電子束熔融增材制造-3D打印技術以其高能量利用率，高效率，更高粗糙表面深受臨床骨科青睞。隨著國家政策扶持及醫療技術發展對假體需求的增加，電子束熔融技術將極大促進骨科植入物的應用及革新。雖然這一技術存在一定的不足，但并不妨礙其商業化，產業化應用，在技術上和應用上的創新將會進一步推進電子束熔融增材制造-3D打印技術的發展和應用。
參考資料：
[1] 新思界.《2021-2025年中國電子束熔化成型（EBM）市場可行性研究報告》。
(責任編輯：admin)
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