EBM医用金属多孔结构的设计及孔径测量方法

张子宽　何伟

摘要：金属材料具较好的耐腐蚀性能和力学性能，是最早应用于临床的生物医用材料。但是由于金属的弹性模量过高，使载荷不能很好地由植入体传递到相邻的骨组织，植入物与人体骨骼之间出现“应力屏蔽”，造成植入体周围骨应力吸收，致使植入体松动脱落。多孔合金的弹性模量和强度比致密体材料低，可以达到与骨组织相匹配的力学性能。基于此，本文主要对EBM医用金属多孔结构的设计及孔径测量方法进行分析探讨。

关键词：EBM（电子束熔融技术）；3D打印；多孔结构；骨长入

前言

EBM技术是类似于激光成形的一种快速制造技术，其工艺过程是先确定零件的三维CAD模型，然后按照一定的厚度进行分层切片处理而将零件的三维形状数据离散成一系列二维数据，再将所得模型导入成形设备中，利用电子束在程序控制下根据模型提供的信息进行有选择的熔化烧结，通过逐层堆积，直至整个零件完成。

1、 制备医用金属多孔结构的快速成形技术概述

目前，制备金属多孔材料的方法主要包括粉末冶金法、发泡法、纤维烧结法和等离子喷涂法等，但这些方法均存在不能灵活控制孔结构，无法保证孔隙间的导通性以及无法较好地模拟与人体骨组织结构相似的孔隙结构特征等问题。 快速成形技术是基于离散堆积成形原理，由零件数字模型（ CAD 模型）直接驱动，可完成仼意复杂形状三维实体零件的形成的技术总称，其具有快速性、准确性及擅长制作复杂形状实体的特性，且可以对孔结构进行设计，是较为理想的多孔材料制备方法 。

金属快速成形技术主要包括激光熔化沉积技术（LMD）、电子束熔丝成形技术（EBF）、激光选区熔化技术（SLM）、电子束选区熔化技术（ EBM），其中激光熔化沉积技术（ LMD）、电子束熔丝成形技术（ EBF）具有成形尺寸大、成形速度快的优势，但相对精度较差，不适合制备尺寸小、精度要求高且同时具有类骨小梁微孔结构的医疗金属多孔结构，而激光选区熔化技术（SLM）、电子束选区熔化技术（ EBM） 均采用粉床选区熔化的工作原理，最大成形尺寸虽然较小，但精度高可成形微孔结构，同时与激光选区熔化技术相比，电子束选区熔化技术具有功率大、能量利用率高、对焦方便、可加工材料广泛和加工效率高等优势，同时电子束快速成形过程中有真空保护，可以防止合金氧化，样品中内应力小，更适合于制备金属多孔材料。

2、医用金属多孔结构及其模型创建方法

快速成形制备医疗植入假体多孔结构的目标为人体自身骨小梁结构，如图1所示，骨小梁是皮质骨在松质骨内的延生部分，即骨小梁与皮质骨相连接，在骨髓腔中呈不规则立体网状结构，丝瓜络样或海绵泡沫状，起支撑造血组织的作用。采用快速成形技术制备的金属类骨小梁结构，其内部结构与人体骨小梁结构类似程度主要取决于三维模型设计，考虑到多孔内部结构的可控性及成形工艺，目前三维模型创建类骨小梁结构多采用有序多孔结构，其模型的创建过程如下。

依据对目标多孔结构孔隙率、孔径的要求，创建满足要求的基础多孔单元胞即多孔结构晶胞，如图2（a）所示，可以是任意规则多面体，然后按照晶胞在三维空间内与相邻各个晶胞面面重合的要求进行阵列，形成多孔结构阵列体，如图2（b）所示，最后对该阵列体进行切割或借助实体模型进行布尔运算，创建出满足外形轮廓、性能指标的有序多孔结构，如图2（c）所示，該方法创建的有序多孔结构具有孔隙率、孔结构精确可控的优点。创建完成后导出STL格式模型，借助专业软件进行切层、路径规划后生成ABF文件，即可导入例如EBM技术的快速成形设备中打印出金属类骨小梁多孔结构假体。

3、快速成形技术制备的医用金属多孔结构孔径尺寸的测量方法

目前快速成形制备的医用金属多孔结构具有最小单元一致、多孔有序尺寸规格一致、且多孔结构多与致密材料复合的特点，笔者提出的测量方法可以规避常规检测方法缺点的同时实现对多孔结构孔径的精确测量，为后续设计及应用提供数据支持，该方法具体步骤如下。

3.1确认孔结构类型及孔径换算系数

如上文所述，目前采用快速成形技术制备的医用金属多孔结构均为最小晶胞（如图2（a）所示）空间阵列后，根据最终需求的多孔结构形状对多孔结构阵列体进行布尔运算得来，不同晶胞结构阵列、切割后形成的多孔结构，其孔径形状、空间位置关系均不同；以正十二面体为例，如图3所示，该种晶胞形成的多孔结构孔形状为正四边菱形，如图3（a）中1～4所示，其晶胞整体外形为正六面体并以正六面体为基础进行阵列，当沿着正六面体任意一面进行观察后，如图3（b）所示，可见的孔包括1～4小孔及由1～4小孔外轮廓组成的“大孔”，此时可根据晶胞三维立体图确认该多孔结构真正的待检测孔应为1～4的小孔而非及1～4小孔外轮廓组成的“大孔”。其它类型的晶胞结构在孔结构类型及孔位置关系确认方法如上。

3.2垂直视角测量并换算多孔结构孔径

选择多孔结构任意一平面作为观察面进行电镜扫描，放大倍数根据具体孔径设计尺寸而定进行观察；若多孔结构表面为圆弧面或不规则形状，则需在快速成形过程中制备具有规则平面的试样，方便后期孔径观察测量。

参考文献：

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