Защо последващата-обработка на метален 3D печат в медицинската индустрия изисква термична обработка?

1. Премахване на остатъчното напрежение: предотвратяване на повреда и изкривяване на импланта
Металният 3D печат, подобно на лазерното селективно топене (SLM), прави форми чрез топене на метален прах слой по слой. Въпреки това, нагряването и охлаждането на материала твърде бързо може да остави напрежение вътре в него. Ако този стрес не се освободи достатъчно бързо, това може да доведе до следните проблеми:
Изкривяване и напукване: Ако остатъчното напрежение е по-високо от границата на провлачване на материала, имплантът може да промени формата си за постоянно или дори да се счупи в рамките на първите няколко седмици от употребата му в тялото. Например, ако има голямо напрежение върху чашката на ацетабулума от титаниева сплав, тя може да се премести по време на възстановяването на пациента от операция поради освобождаването на напрежението, което може да означава, че пациентът се нуждае от втора операция.
Намалена точност на размерите: -деформацията, предизвикана от стрес, може да наруши съвместимостта между импланта и човешката тъкан. За зъбните импланти, например, прецизността на конеца трябва да се поддържа до микрометър и остатъчното напрежение може да доведе до промяна на формата на конеца, което може да компрометира първоначалната стабилност на алвеоларната кост.
Съкратен живот на умора: Имплантите са по-склонни да се счупят при цикъл на натоварване. Проучванията показват, че животът на умора при нисък цикъл на 3D отпечатани опори от кобалтово-хромова сплав, без термична обработка, е намален с над 40% в сравнение с конвенционалните ковани компоненти.
Облекчаването на напрежението е възможно чрез процеси на термична обработка като вакуумно отгряване. При този процес имплантът се нагрява до правилната температура (обикновено под температурата на рекристализация), задържа се известно време и след това бавно се охлажда, така че вътрешните зърна на материала да могат да се възстановят и рекристализират, което облекчава напрежението. Например, вакуумното отгряване при 650 градуса намалява остатъчното напрежение на 3D отпечатаните ортопедични импланти от титаниева сплав с повече от 80% и значително подобрява тяхната структурна стабилност.
2. Подобряване на микроструктурата: правейки я по-здрава и по-съвместима с живите същества
Бързото втвърдяване на металния 3D печат може лесно да причини неравномерна микроструктура, като колонни кристали, метастабилни фази и порьозност. Това може да накара имплантите да работят по-лошо като цяло.
Влошаване на механичните свойства: Колонната кристална структура може да доведе до анизотропия, причинявайки имплантите да бъдат много по-здрави в някои посоки, отколкото в други. Ако 3D отпечатаният съдов стент от никел-титанова сплав има грапави колоновидни кристали, например, неговата радиална опорна сила може да бъде с 30% по-ниска от тази на хомогенната равноосна кристална тъкан.
Висока порьозност: Когато частиците на праха не се слеят напълно по време на печат, те създават микропори, което прави материала по-малко плътен. Ако порьозността е повече от 1%, якостта на умора на импланта може да спадне с повече от 50% и опасността от корозия може да се увеличи.
Риск от биосъвместимост: Нестабилните фази, като мартензита, могат да отделят токсични йони и да причинят възпаление. Например, ако в 3D отпечатаните кобалтово-хромови сплави е останал много мартензит, емисиите на никелови йони може да са повече от нормалното, което може да причини алергии в близките тъкани.
Чрез контролиране на температурата и продължителността топлинната обработка оптимизира микроструктурата:
Отгряване: превръща колонните кристали в равноосни кристали и премахва метастабилните фази. Например, след отгряване при 750 градуса, размерът на зърното на 3D-отпечатаната титаниева сплав е рафиниран до по-малко от 10 μm и анизотропията е значително намалена.
Горещо изостатично пресоване (HIP): Премахване на вътрешните пори при високи температури и налягания (обикновено 100–200MPa), за да се получи плътност на материала, близка до 100%. Проучванията показват, че обработката с HIP може да намали порьозността на 3D отпечатаните кобалтово-хромови сплави от 0,8% до 0,02% и да повиши живота на умора три пъти.
Твърд разтвор плюс стареене: За материали с памет на формата, като никел-титаниеви сплави, третирането с твърд разтвор разтваря вредните фази, докато третирането със стареене утаява укрепващи фази. Това балансира силата със свръхеластичността. Например, радиалната поддържаща сила на 3D отпечатани съдови стентове от никел-титаниева сплав се повиши с 20% след обработка с твърд разтвор при 500 градуса и стареене при 400 градуса. Степента на възстановяване на формата също се повиши до над 99%.
3. Посрещане на клиничните нужди: двойна гаранция за персонализиране и функционализиране
Медицинските импланти трябва да бъдат съобразени с анатомичната структура на пациента, като същевременно отговарят на специфични функционални критерии, като костна интеграция и освобождаване на лекарството. Топлинната обработка помага при клинични приложения по следните начини:
Комбинирането на топлинна обработка с други методи за повърхностна обработка като пясъкоструене и киселинно ецване може да направи повърхността на имплантите по-груба и да помогне на костните клетки да се придържат по-добре към тях. Например, след загряване и пясъкоструйна обработка, грапавостта на повърхността (Ra) на 3D отпечатани тазобедрени стави от титаниева сплав е 3–5 μm, а скоростта, с която костите се интегрират, е 40% по-бърза, отколкото при гладки повърхности.
3D принтирането може да направи порести структури с 30% до 80% порьозност и размер на порите от 100 до 1000 μm, което е подобно на това как работят естествените костни трабекули. Топлинната обработка гарантира, че структурата остава стабилна, като премахва концентрацията на напрежение в порести места. Например, след лечение с HIP, устройствата за вътрешно сливане от пореста титанова сплав могат да издържат натоварвания над 100 MPa, което е необходимо за клинична употреба.
Подпомагане на зареждането с лекарства: Нагряващите импланти могат да променят химическите характеристики на повърхностите си, давайки места за залепване на лекарствените покрития. Например слой от магнезиев оксид се образува върху повърхността на 3D -отпечатан съдов стент от магнезиева сплав след отгряване. Този слой може да задържа анти-пролиферативни лекарства чрез физическа адсорбция за постигане на локално продължително освобождаване.
4. Промишлени норми и изисквания за сертифициране: изисква се топлинна обработка
Медицинските импланти трябва да бъдат сертифицирани от строги групи като FDA, CE и NMPA. Топлинната обработка е важна част от процеса на сертифициране:
Стандартът ISO 13485 казва, че производителите на импланти трябва да водят подробни записи за целия процес на термична обработка, включително температурни криви, контрол на атмосферата и данни от тестване.
Стандартът ASTM F3001 казва, че температурата на отгряване за 3D отпечатани импланти от титанова сплав трябва да се поддържа между 650 и 750 градуса, за да се предпазят зърната от твърде груби.
Стандарт YY/T 0640: След лечение с HIP, имплантите от кобалтово-хромова сплав трябва да имат порьозност не повече от 0,1% и да нямат непрекъснати вериги от пори.