Miksi metallin 3D-tulostuksen{0}}jälkikäsittely lääketeollisuudessa vaatii lämpökäsittelyä?

1. Päästä eroon jäännösrasituksesta: ehkäise implanttivaurioita ja vääristymiä
Metalli-3D-tulostus, kuten laserselektiivinen sulatus (SLM), tekee muotteja sulattamalla metallijauhetta kerros kerrokselta. Materiaalin liian nopea kuumentaminen ja jäähdyttäminen saattaa kuitenkin jättää sen sisään jännitystä. Jos tämä stressi ei vapaudu tarpeeksi nopeasti, se voi johtaa seuraaviin ongelmiin:
Vääntyminen ja halkeilu: Jos jäännösjännitys on suurempi kuin materiaalin myötöraja, implantti voi muuttaa muotoaan pysyvästi tai jopa rikkoutua muutaman ensimmäisen käyttöviikon aikana kehossa. Jos esimerkiksi titaaniseoksesta valmistettu acetabular kuppi rasittaa paljon, se saattaa liikkua potilaan toipumisen aikana leikkauksesta stressin vapautumisen vuoksi, mikä voi tarkoittaa, että potilas tarvitsee toisen leikkauksen.
Heikentynyt mittatarkkuus: Stressin{0}}aiheuttama muodonmuutos voi heikentää implantin ja ihmiskudoksen yhteensopivuutta. Esimerkiksi hammasimplanttien kohdalla langan tarkkuus on säilytettävä mikrometrin tarkkuudella, ja jäännösjännitys voi aiheuttaa langan muodonmuutoksen, mikä voi vaarantaa alveolaarisen luun alkuperäisen stabiilisuuden.
Lyhentynyt väsymysikä: Implantit hajoavat todennäköisemmin pyöräilyn aikana. Tutkimukset osoittavat, että 3D-tulostettujen kobolttikromiseostukien alhainen syklin väsymisikä ilman lämpökäsittelyä on lyhentynyt yli 40 % verrattuna tavanomaisiin taottuihin komponentteihin.
Stressin lievitys on mahdollista lämpökäsittelyprosessien, kuten tyhjiöhehkutuksen, avulla. Tässä prosessissa implantti kuumennetaan oikeaan lämpötilaan (yleensä uudelleenkiteytyslämpötilan alapuolelle), pidetään jonkin aikaa ja jäähdytetään sitten hitaasti, jotta materiaalin sisäiset rakeet voivat palautua ja kiteytyä uudelleen, mikä lievittää stressiä. Esimerkiksi tyhjiöhehkutus 650 asteessa vähentää 3D-tulostettujen titaaniseoksesta valmistettujen ortopedisten implanttien jäännösjännitystä yli 80 % ja parantaa huomattavasti niiden rakenteellista vakautta.
2. Mikrorakenteen parantaminen: vahvempi ja yhteensopivampi elävien olentojen kanssa
Metallin 3D-tulostuksen nopea jähmettyminen voi helposti aiheuttaa epätasaisen mikrorakenteen, kuten pylväskiteitä, metastabiileja faaseja ja huokoisuutta. Tämä voi heikentää implanttien toimintaa yleisesti.
Mekaanisten ominaisuuksien heikkeneminen: Pylväsmäinen kiderakenne voi johtaa anisotropiaan, jolloin implantit ovat joissakin suunnissa paljon vahvempia kuin toisissa. Jos 3D-painetussa nikkelititaaniseoksesta valmistetussa verisuonistentissä on esimerkiksi karkeita pylväsmäisiä kiteitä, sen säteittäinen tukivoima voi olla 30 % pienempi kuin homogeenisen tasaakselisen kidekudoksen.
Korkea huokoisuus: Kun jauhehiukkaset eivät sulaudu kokonaan tulostuksen aikana, ne muodostavat mikrohuokosia, mikä tekee materiaalista vähemmän tiheää. Jos huokoisuus on yli 1 %, implantin väsymislujuus voi laskea yli 50 % ja korroosion vaara voi nousta.
Biologisen yhteensopivuuden riski: Epästabiilit faasit, kuten martensiitti, voivat päästää ulos myrkyllisiä ioneja ja aiheuttaa tulehdusta. Jos esimerkiksi 3D-tulostetuissa kobolttikromiseoksissa on jäljellä paljon martensiittia, nikkeli-ionien emissio voi olla normaalia suurempi, mikä saattaa aiheuttaa allergioita läheisille kudoksille.
Säätämällä lämpötilaa ja kestoa lämpökäsittely optimoi mikrorakenteen:
Hehkutus: saa pylväsmäiset kiteet muuttumaan tasakeskeisiksi kiteiksi ja poistaa metastabiilit faasit. Esimerkiksi 750 asteen lämpökäsittelyn jälkeen 3D-painetun titaaniseoksen raekoko on jalostettu alle 10 μm:iin ja anisotropia pienenee huomattavasti.
Kuumaisostaattinen puristus (HIP): Sisähuokosten poistaminen korkeissa lämpötiloissa ja paineissa (yleensä 100–200 MPa), jolloin materiaalin tiheys on lähellä 100 %. Tutkimukset osoittavat, että HIP-käsittely voi vähentää 3D-tulostettujen kobolttikromiseosten huokoisuutta 0,8 %:sta 0,02 %:iin ja pidentää väsymisikää kolminkertaisesti.
Kiinteä liuos plus vanheneminen: Muodon muistaville materiaaleille, kuten nikkelititaaniseoksille, kiinteä liuoskäsittely liuottaa haitalliset faasit, kun taas ikääntymiskäsittely saostaa vahvistusvaiheita. Tämä tasapainottaa vahvuuden ja superelastisuuden. Esimerkiksi 3D-tulostettujen nikkelititaaniseoksesta valmistettujen vaskulaaristen stenttien säteittäinen tukivoima kasvoi 20 % kiinteällä liuoskäsittelyllä 500 asteessa ja ikääntymisen jälkeen 400 asteessa. Myös lomakkeen palautusprosentti nousi yli 99 prosenttiin.
3. Kliinisten tarpeiden täyttäminen: kaksinkertainen räätälöinnin ja toiminnallisuuden takuu
Lääketieteelliset implantit on räätälöitävä potilaan anatomiseen rakenteeseen ja täytettävä tietyt toiminnalliset kriteerit, kuten luun integroituminen ja lääkkeen vapautuminen. Lämpökäsittely auttaa kliinisissä sovelluksissa seuraavilla tavoilla:
Lämpökäsittelyn yhdistäminen muihin pintakäsittelymenetelmiin, kuten hiekkapuhallukseen ja happoetsaukseen, voi tehdä implanttien pinnasta karheamman ja auttaa luusoluja tarttumaan niihin paremmin. Esimerkiksi 3D-tulostettujen titaaniseoksesta valmistettujen lonkkanivelten pinnan karheus (Ra) on hehkutuksen ja hiekkapuhalluksen jälkeen 3–5 μm ja luiden integroitumisnopeus 40 % nopeampi kuin sileillä pinnoilla.
3D-tulostuksella voidaan tehdä huokoisia rakenteita, joiden huokoisuus on 30–80 prosenttia ja huokoskoot 100–1000 μm, mikä on samanlaista kuin luonnolliset luun trabekulit toimivat. Lämpökäsittely varmistaa rakenteen pysymisen vakaana poistamalla jännityskeskittymät huokoisissa paikoissa. Esimerkiksi HIP-hoidon jälkeen huokoiset titaaniseoksesta valmistetut runkojen väliset fuusiolaitteet kestävät yli 100 MPa:n kuormia, mikä on se, mitä kliiniseen käyttöön tarvitaan.
Lääkelataustuki: Implanttien lämmittäminen voi muuttaa pintojensa kemiallisia ominaisuuksia, jolloin lääkepinnoitteet voivat tarttua. Esimerkiksi magnesiumoksidikerros muodostuu 3D-painetun magnesiumseoksesta valmistetun verisuonistentin pinnalle hehkutuksen jälkeen. Tämä kerros voi pitää sisällään -proliferatiivisia lääkkeitä fyysisen adsorption kautta paikallisen jatkuvan vapautumisen saavuttamiseksi.
4. Teollisuuden normit ja sertifiointivaatimukset: lämpökäsittely vaaditaan
Lääketieteelliset implantit on sertifioitava tiukoilta ryhmiltä, ​​kuten FDA, CE ja NMPA. Lämpökäsittely on tärkeä osa sertifiointiprosessia:
ISO 13485 -standardi sanoo, että implanttien valmistajien on pidettävä yksityiskohtaista kirjaa koko lämpökäsittelyprosessista, mukaan lukien lämpötilakäyrät, ilmakehän säätö ja testaustiedot.
ASTM F3001 -standardi sanoo, että 3D-tulostettujen titaaniseosimplanttien hehkutuslämpötila tulee pitää välillä 650-750 astetta, jotta rakeet eivät tule liian karkeiksi.
YY/T 0640 standardi: HIP-hoidon jälkeen kobolttikromiseoksesta valmistettujen implanttien huokoisuus ei saa olla yli 0,1 %, eikä niissä saa olla jatkuvia huokosketjuja.