钛及钛合金3D打印医用产品的生物安全性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0925

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：
3D打印技术：出现在20世纪90年代中期，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。金属3D打印技术主要有选区激光熔化、选区激光烧结、电子束熔化等，可打印的材料包括钛合金、钴铬合金、铝、不锈钢等金属粉末。医疗领域通常使用3D打印钛及钛合金粉来成型精密口腔修复体及骨科植入物。
生物安全性：体现在材料制品是否具有安全使用的性质，人体应用后是否会因材料的有害成分对人体造成短期或长期的损害。3D打印作为新兴技术，是否会改变材料的生物安全性是业界普遍关注的问题。3D打印钛及钛合金在临床应用前应通过一系列生物学试验来进行生物安全性评价。

背景：钛及钛合金广泛用于个性化医疗领域，传统铸造工艺无法满足现代医学的发展，3D打印技术可以很好的满足当前医疗领域对产品越来越高的要求。
目的：分析3D打印钛及钛合金的生物安全性，为其在下一步的临床应用提供参考。
方法：研究分析3D打印技术生产的钛及钛合金在耐腐蚀性、生物相容性方面的性能，明确其是否满足临床应用的生物安全性要求。
结果与结论：3D打印钛及钛合金具有良好的生物安全性，可以用于个性化医疗领域，且可以设计、调控材料自身结构和优化性能，相比传统的铸造工艺，3D打印具有明显优势。随着原材料、制造设备、关键工艺技术等方面的不断突破，3D打印技术在医疗器械领域的应用将越来越广泛。

ORCID: 0000-0001-8366-6892(吴利苹)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 3D打印, 钛, 钛合金, 生物安全性, 生物相容性, 选区激光熔化, 选区激光烧结, 电子束熔化, 生物材料

Abstract:

BACKGROUND: Titanium and titanium alloys are widely used in the field of personalized medicine. The traditional casting technology cannot meet the demand of modern medicine. 3D printing technology can meet the increasingly high requirements for medical products in the current medicine.

OBJECTIVE: To analyze the bio-safety of 3D printed titanium and titanium alloys, thereby providing reference for clinical application.

METHODS: We analyzed the performance of titanium and titanium alloys produced by 3D printing in terms of corrosion resistance and biocompatibility, thereby confirming whether it could meet the bio-safety requirements of clinical applications.

RESULTS AND CONCLUSION: 3D printed titanium and titanium alloys have good bio-safety, which can design, regulate the structure of the material itself and optimize performance. It can be used in the field of personalized medicine. Compared to the traditional casting process, 3D printing technology has obvious advantages. With continuous breakthroughs in raw materials, manufacturing equipments and key process technologies, the application of 3D printing technology will become more and more extensive in the field of medical devices.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Alloys, Technology, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

吴利苹，邹善方，刘睿诚，曾益伟. 钛及钛合金3D打印医用产品的生物安全性[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(34): 5559-5564.

Wu Liping, Zou Shanfang, Liu Ruicheng, Zeng Yiwei . Bio-safety of 3D printed titanium and titanium alloys for medical application[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(34): 5559-5564.

图/表（结果） 1

2.1 3D打印纯钛的生物相容性研究戴宜君等^[11]研究了SLM打印技术对钛金属生物相容性的影响。他们采用SLM技术和传统铸造技术分别制作SLM纯钛和铸造纯钛试样，分别进行细胞毒性试验和皮下埋植试验，细胞毒性试验结果显示SLM和铸造组的细胞相对增值率为88.20%-101.71%，细胞毒性为1级。皮下埋植试验结果显示2组金属试件植入后，植入部位均无渗血、化脓和试件被排出的现象，周围组织没有出现明显炎症反应，无感染或坏死，且随时间延长，组织正常生长。由此得出，采用SLM和传统铸造法制作的纯钛试件均无细胞毒性，植入大鼠体内后不会引起明显炎症反应。SLM技术不会改变纯钛的生物相容性，该工艺与传统铸造法制作的纯钛试件在生物相容性方面并无明显差异，SLM技术可用于口腔临床。

朱娟芳^[12]利用激光快速成形技术制作纯钛植入材料，将传统方法加工的纯钛作为对照组。首先分别从细胞毒性、口腔黏膜刺激、溶血、急性全身毒性和骨内植入试验来评价激光快速成形纯钛的生物安全性，然后，对比观察激光快速成形纯钛和医用钛在不同溶液中的金属离子析出情况、应力加载下的耐腐蚀情况，以及氟离子和pH值对电化学行为的影响情况等，来评价激光快速成形纯钛的耐腐蚀性。结果显示激光快速成形纯钛的细胞毒性测试结果为0级，对黏膜无刺激反应。溶血率为2.68%，不会引起急性溶血反应。激光快速成形纯钛浸提液注射入动物体内后，观察期内无急性毒性反应。骨内埋植试验显示种植体与骨组织紧密接触。在不同溶液中，激光快速成形纯钛的钛离子析出量均低于传统方法加工的纯钛。在应力和氟离子的共同作用下，传统方法加工的纯钛比激光快速成形纯钛的腐蚀程度更严重。由此得出结论，激光快速成形纯钛具有优良的生物安全性和更优的耐电化学腐蚀及耐应力腐蚀性能，见表1。

2.2 3D打印钛合金的耐腐蚀性研究赵冰净^[13]利用EBM和SLM工艺制作Ti6Al4V试件，以传统锻造试件作为对照。应用电化学实验、浸泡实验、细胞培养液离子析出实验检测三组试件的耐腐蚀性。电化学腐蚀实验结果显示，电极电位< 1 200 mV时，SLM试件的耐腐蚀性最强；电极电位> 1 200 mV时，EBM试件的耐腐蚀性最强。浸泡实验结果显示SLM试件的耐腐蚀性最强。培养液金属离子析出浓度显示SLM试件Al和V离子的析出量最少，3种试件Al和V离子的析出量均为微克级，不会影响细胞黏附及增殖。证实EBM与SLM工艺制作的钛合金试件均具有良好的耐腐蚀性。蒋军杰^[14]采用SLM技术制备TC4钛合金块状试件，按打印态、退火态和轧制态合金试样，在SBF仿生溶液和Ringer’s生理盐液中进行电化学测试。在SBF仿生溶液和Ringer’s生理盐液中，SLM成型TC4合金的耐腐蚀性优于传统铸轧工艺制备的TC4合金。王勇等^[15]采用SLM技术制备TC4合金，通过电化学实验测试了SLM成型TC4的生物腐蚀性能。材料的自腐蚀电位和极化电阻按照轧制态、退火态、打印态的顺序依次增加，证实SLM相比于传统铸轧工艺有着更好的耐蚀性能。Chen等^[16]采用SLM技术制备Ti6Al4V块体样品，检测了样品分别在X、Y、Z三个平面上的耐腐蚀性，并与商业轧制钛合金板进行了对比，结果表明SLM钛合金板在Y平面和Z平面具有最好的耐生物腐蚀性，优于X平面样品，也优于商业轧制钛合金板(表1)。

2.3 3D打印钛合金的生物相容性研究赵冰净^[13]利用EBM和SLM工艺制作Ti6Al4V试件，以传统锻造试件作为对照，3组试件进行体外研究；将EBM与正常组织进行体内研究。首先，采用扫描电镜及细胞计数法，观察几种工艺试件表面骨髓基质干细胞黏附及增殖情况，结果显示骨髓基质干细胞在EBM、SLM、传统锻造三种试件上的黏附增殖能力相近，细胞数量随着培养时间的延长而明显增加，细胞形态也随着培养时间的延长而明显变化。其次，采用透射电镜观察几种工艺试件的骨髓基质干细胞及比格犬皮下植入后的肝肾组织超微结构是否损伤，结果显示骨髓基质干细胞及比格犬肝肾组织超微结构与锻造件及正常肝肾组织无明显差别，无受损迹象。再次，采用组织学染色及大体观察法观察到试件周围被一层纤维组织囊包绕，未发现炎症组织及金属颗粒。最后，采用彗星实验检测比格犬皮下植入手术后的肝肾组织DNA，未发现受损伤。由此看出，EBM和SLM工艺制作的钛合金试件生物相容性良好，均适合应用到体内。

王宏^[20]采用EBM和SLM工艺制备钛合金试样，测试细胞毒性和溶血率，进行皮肤刺激及皮肤致敏试验，评价不同3D打印技术成型的钛合金试样的生物相容性。体外细胞试验结果显示EBM和SLM两种工艺制备的钛合金试样对犬骨髓间充质干细胞的生长和成骨分化能力均没有明显影响。2种工艺的钛合金试样的溶血率分别为2.24%和2.46%，血液相容性良好。EBM和SLM成型的钛合金试样均对皮肤没有刺激性和致敏性。

蒋军杰^[14]采用SLM技术制备TC4钛合金块状试件，检测溶血率和细胞毒性。结果显示，合金不会引起急性溶血，血液相容性优良；细胞毒性均为0级，细胞相容性良好。王勇等^[15]采用SLM技术制备TC4合金，通过溶血实验和细胞毒性实验测试其生物相容性，证实SLM成型及退火后的TC4合金血液相容性优良，两种状态合金的细胞毒性均为0级。张雷青^[17]通过SLM 3D打印机打印出钛合金标准试件，同时采用失蜡铸造法制备纯钛的标准试件，利用MTT法测试试件的细胞毒性。结果显示SLM成型钛合金及铸造纯钛试件均无明显细胞毒性，都在临床允许的范围以内，符合牙科学对于金属材料细胞毒性的要求。董研等^[18]分别用失蜡铸造、SLM技术制备纯钛(铸造)/钛合金标准试件，用MTT法测试其细胞毒性。铸造纯钛和SLM成型钛合金细胞毒性均为0至1级，符合牙科学对于金属材料细胞毒性的要求。

毛梦芸^[19]用SLS制备Ti6Al4V试件，进行体外细胞实验和体内动物实验。活/死细胞染色实验显示细胞接种在钛板表面24 h后黏附情况较好，活细胞数量明显大于死细胞数量。随着培养时间延长，细胞数量迅速增加，第7天时已融合90%以上。动物实验显示种植体与骨界面形成骨结合，有新生骨组织长入内部空隙，可见大量成骨细胞及骨小梁结构。骨结合率随着孔隙率的升高和培养周期的延长而增加。证实SLS制备的Ti6Al4V试件多孔材料无细胞毒性，该材料有利于细胞黏附和增殖，有利于骨组织长入孔隙并形成良好的骨结合，具有良好的生物相容性。

Lin等^[21]采用SLM和传统技术制作钛合金板，使用CCK-8测定培养基提取物的L929成纤维细胞的代谢情况，通过光学显微镜观察其形态来评估细胞相容性，结果显示3D打印钛合金板的细胞相容性不低于常规板。将提取物注射到小鼠的尾静脉中，注射后，小鼠的活动、饮食和排泄正常。连续4 d测量小鼠的体质量变化，都没有出现显著差异，说明样品无急性全身毒性。最后，将其植入兔的背部肌肉来研究组织相容性，植入后兔子的伤口愈合都很好，没有观察到组织损伤或炎症改变。体外结果表明3D打印钛合金板的细胞相容性与常规板相似。体内数据也证实了两种制造技术的组织相容性类似。总之，体内和体外实验都表明3D打印钛合金板材具有良好的生物相容性。

Tan等^[22]通过SLM和EBM方法制造Ti6Al4V支架，通过体外研究和体内研究评价了其生物相容性，提出金属3D打印在生物医学领域具有极高的潜力。Yang等^[23]通过激光束熔化3D打印技术制造3种孔径的多孔Ti6Al4V植入物模型。对于体外研究，进行植入物的生物相容性和成骨能力试验，结果表明样品在细胞生长、迁移和黏附方面表现出很好的生物相容性(表1)。

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引言

医用钛合金生物性能优异，耐腐蚀性好，比强度高，耐疲劳性好，生物相容性极佳，且力学性质接近人体骨骼，已广泛用于个性化医疗领域。据统计，2014至2016年，钛加工材料在医药领域的应用分别达到了698吨、884吨和1 834吨，其中2016年的增长率高达107%^[1]。随着越来越多的试验研究和临床应用，钛合金在牙科和骨科材料方面的应用越来越具有突出的优越性。在牙科领域，钛及钛合金广泛用来制作冠桥修复体、牙种植体、义齿支架、正畸弓丝、种植体基台、钛板、钛钉、正畸支抗钉等^[2-3]。在骨科领域，钛合金也得到了广泛应用，是生产人工关节假体(如髋、膝、踝、肩、肘、腕、指关节等)、骨接合产品、骨创伤产品(如螺钉、钢板、骨髓内钉等)和脊柱内固定系统的理想材料^[4-5]。传统的钛合金加工方法主要采用铸造工艺，但铸造工艺存在很多缩孔、内孔、表面粗糙不光洁、龟裂、精度差等问题，很难满足当前个性化医疗的高要求。另外，钛及钛合金属于高活性、易氧化的金属合金材料，制作环境要求严苛，生产成本很高。因此，迫切需要开发新的生产技术来弥补传统制造方法的不足。3D打印激光快速成型技术具有诸多优点，如生产周期短、制造精度高、工艺简单便捷等，有效弥补了传统铸造工艺的不足^[6]。

金属3D打印是一种基于激光、电子束等热源熔化金属粉末的快速制造技术，能够成型复杂形状零件，进行个性化定制服务，成型精度高、节约材料，对于复杂物品具有很高的成本优势，并且简化了生产流程，生产过程中节能环保，在医学领域的应用优势已经渐渐凸显。目前，制备纯钛和钛合金的3D打印技术主要有电子束熔化(electron beam melting，EBM)、选区激光熔化(selective laser melting，SLM)和选区激光烧结(selective laser sintering，SLS)。3种技术原理大致相同，但存在差异。SLS加工前需要使用高分子聚合物或低熔点金属作为粘结材料，烧结过程中才能与高熔点金属相融合。因而该技术加工步骤很繁琐，成型过程中的各种因素都会极大地影响零件精度^[7]。因而在SLS技术的基础上诞生的SLM技术更适合用于钛合金的打印。而SLM和EBM都是以高能束流为热源，选择性地熔化金属粉末而成型，工作原理大致为：铺粉装置在加工仓上铺上一层金属粉末，根据每一层的切片数据，加工热源选择性地熔化金属粉末，得到成型零件的每一层形状，然后加工仓下降一层，铺粉装置再铺一层金属粉末，热源再继续熔化该层粉末，如此逐层累积，最终得到成型的金属零件。不同的是，SLM采用激光为热源，在惰性气体条件下熔化成形；EBM采用电子束为热源，在真空条件下熔化成形。两种工艺各有各的特点和优势，分别可应用在不同的领域。

目前很多学者都在致力于研究3D打印技术用于个性化医疗领域的适宜性。刘一帆等^[8]应用SLM工艺生产钛合金可摘局部义齿支架，并对其适合性进行研究，指出SLM技术制作的钛合金可摘局部义齿支架的适合性基本满足临床要求。陈光霞等^[9]针对传统制造方法在钛及钛合金可摘除局部义齿支架制造中的不足，使用自主开发的SLM快速成型设备及相关的软件控制系统生产义齿支架，并进行了大量的工艺试验研究，不断优化工艺参数，制造出钛合金可摘除局部义齿支架。证实SLM技术完全可以满足钛及钛合金支架的生产要求。

由于新兴的3D打印技术的操作流程与传统的加工过程存在较大差异，3D打印技术生产的钛及钛合金产品是否具备生物医用材料所需要的安全性是业界普遍关注的问题。生物医用材料用于人体时，不能引发材料结构和性能发生质变，医用材料与组织器官的反应应处于可接受的水平，不应引起人体细胞、血液和器官发生过敏、炎症及化学等不利反应，不能出现人体异物排斥反应^[10]。为了更好地研究3D打印技术在数字化、定制化及个性化医疗领域的应用，文献分析了3D打印钛及钛合金在耐腐蚀性、生物相容性方面的研究进展，以更好地评价其生物安全性，为3D打印钛及钛合金在下一步的临床应用提供参考依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

讨论

医用材料对于生物性能的要求极高，生物相容性是医用材料应用于人体后与机体之间发生相互作用，医用材料与人体机体对相互作用的反应能力能够保持相对稳定而不会相互排斥^[24]。金属钛具有同素异构相转变，可由低温α相转变为高温β相。早在20世纪40年代初期，Bothe等首先把纯钛引入到生物医学领域，随后，Branemark将纯钛用于口腔种植体后，纯钛作为外科植入件材料得到大范围应用。纯钛等α型钛合金虽然在生理环境中抗腐蚀性能优良，但其强度较低、耐磨性较差，从而限制了骨科领域的使用。α+β型钛合金Ti6Al4V强度较高，综合加工性能优异，在20世纪70年代后期已经被广泛用于制作外科修复或替换材料^[25-26]。

传统工艺制作的钛及钛合金已经是应用非常成熟的生物医学材料，在复杂及个性化钛及钛合金医疗器械加工与制造过程中，也逐渐开始运用金属3D打印技术。3D打印凭借着加工成形能力强、实现个性化定制、加工周期短、成本降低^[27]、可打印材料范围广泛^[28]、尺寸精度较高等优势^[29]，无疑已成为研究热点。在上述研究中，对于纯钛和钛合金，不同学者分别采用SLS、SLM、EBM技术和传统铸造法制作试件进行耐腐蚀性实验、细胞毒性实验、皮下埋植实验、口腔黏膜刺激实验、溶血试验、急性全身毒性试验、骨内植入试验等，证实3D打印和铸造法制作的钛及钛合金试件都具有良好的生物安全性，且在某些条件下，3D打印试件的性能更优于传统铸轧^[11-23]。3D打印技术不会改变材料的生物安全性，利用该技术的优势，钛及钛合金在牙科及骨科等个性化医疗领域将会有更好的应用前景。

在牙科领域，3D打印技术能够进行定制化加工，可以生产精密个性化修复体，临床应用效果最佳，比传统牙床材料具有突出优势^[30]，该技术在制作牙科支架、冠桥方面已经应用的较为成熟。在骨科领域，多孔钛及钛合金抗腐蚀性能、生物相容性以及与人骨相匹配的力学性能都非常优异，是人体理想的骨科替代植入件^[31]。采用SLM或者EBM技术制作的椎间融合器、髋关节以及其他骨科植入物均获得了较好的临床效果。2015年9月国内第一个3D打印人体植入物——人工髋关节获得国家食品药品监督管理总局的注册批准^[10]，上市之后该类产品收入增长迅速。2016年5月和7月，多孔型金属骨科植入材料椎体假体和椎间融合器分别获准注册。2018年2月，个体化下颌骨重建假体也通过注册审批，正式进入市场。与此同时，国内多家企业的多款金属3D打印定制化髋臼杯、胸腰椎融合体、股骨部件、长段骨修复体、定制融固系统、膝关节假体、腕关节假体、肩关节假体、骨盆假体等产品也在紧锣密鼓的进行临床试验，未来1或2年内有望获批上市。国外早在2007年就有3D打印髋臼杯产品通过CE认证，之后陆续有3D打印钛产品通过CE和FDA认证^[10]。近几年，FDA批准注册的3D打印产品包括定制化钛金属颅面植入物、颈椎植入物、脊柱植入物、钛金属骶髂关节、腰椎骨盆等。这充分肯定了3D打印钛合金产品在医疗领域的应用前景。

多孔钛材料独特的多孔结构及粗糙的内外表面将有利于成骨细胞的黏附、增殖和分化，促使新骨组织长入孔隙，有利于植入体同骨之间形成一个整体^[26^，^32]。传统加工方式很难成型结构如此复杂的多孔钛材料，3D打印可以有效解决这个问题。当然，多孔钛商业化应用也面临着一些难题，如如何实现孔径、孔隙率和力学性能间的最佳匹配，如何清除孔隙中残留粉末，是否会有残留毒性，这些都需要进行大量深入的科学基础研究^[26^，^33]。再加上器械体积、打印速度、金属粉末价格、以及端到端的设计、制造、组装、运输、销售和操作等瓶颈，也制约了3D打印技术的广泛应用。这些问题，有望在未来不断地研发创新中获得突破。

通过众多学者前期的试验研究，钛及其合金可以很好的适应生物环境，未来医用钛及钛合金的发展趋势正向着整体材料及表面状态多尺度设计、优化自身组织结构、调控力学性能、实现表面功能化方面发展，要实现这些，无疑要大力发展先进的材料加工制造技术，3D打印必将会扮演越来越重要的角色^[25]。3D打印钛及钛合金具有良好的生物安全性，且可以设计、调控材料自身结构和优化性能，相比传统的铸造工艺，3D打印具有明显优势，该技术将极大的推动钛合金产品在个性化医疗领域的广泛应用。

由于3D打印技术有不同的成型原理，各种技术受能量来源、成型方式、工艺参数等的影响，在实际应用中，有必要根据具体情况对3D打印的成型方式、工艺参数等进行调整、优化和改进。3D打印制造技术虽然短时间内还不能与传统制造并驾齐驱，但它正被应用于医疗器械原型制作、零部件以及直接制作高度定制或工艺复杂但产量较少的器械物件等。随着原材料、制造设备、关键工艺技术等方面的不断突破，3D打印技术在医疗器械领域的应用将越来越广泛。

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