Hvorfor kræver efter-behandling af metal 3D-print i den medicinske industri varmebehandling?

1. At slippe af med resterende stress: forhindre implantatfejl og forvrængning
Metal 3D-print, som laserselektiv smeltning (SLM), laver forme ved at smelte metalpulver lag for lag. Men opvarmning og afkøling af materialet for hurtigt kan efterlade stress inde i det. Hvis denne stress ikke forløses hurtigt nok, kan det føre til følgende problemer:
Vridning og revner: Hvis restspændingen er højere end materialets flydespænding, kan implantatet ændre form permanent eller endda gå i stykker inden for de første par ugers brug i kroppen. For eksempel, hvis der er meget stress på titanlegeringshovedskålen, kan den bevæge sig under patientens genopretning efter operationen på grund af stressfrigivelsen, hvilket kan betyde, at patienten har brug for en anden operation.
Nedsat dimensionsnøjagtighed: Stress-induceret deformation kan forringe kompatibiliteten mellem implantatet og menneskeligt væv. For dentale implantater, for eksempel, skal trådpræcisionen holdes inden for en mikrometer, og resterende spænding kan få tråden til at ændre form, hvilket kan kompromittere den indledende stabilitet af alveolær knogle.
Forkortet træthedslevetid: Implantater er mere tilbøjelige til at knuse under stresscykling. Undersøgelser viser, at den lave cyklus-udmattelseslevetid for 3D-printede kobolt-chromlegeringsunderstøtninger, fraværende varmebehandling, er formindsket med over 40 % i forhold til konventionelle smedede komponenter.
Stressaflastning er mulig gennem varmebehandlingsprocesser som vakuumudglødning. I denne proces opvarmes implantatet til den rigtige temperatur (normalt under omkrystallisationstemperaturen), holdes i et stykke tid og afkøles derefter langsomt, så materialets indre korn kan restituere og omkrystallisere, hvilket aflaster. For eksempel reducerer vakuumudglødning ved 650 grader den resterende belastning af 3D-printede titanlegeringer ortopædiske implantater med mere end 80% og forbedrer i høj grad deres strukturelle stabilitet.
2. Forbedring af mikrostrukturen: gør den stærkere og mere kompatibel med levende ting
Den hurtige størkning af metal 3D-printning kan let forårsage en ujævn mikrostruktur, såsom søjleformede krystaller, metastabile faser og porøsitet. Dette kan få implantater til at fungere mindre godt generelt.
Forringelse af mekaniske egenskaber: Den søjleformede krystalstruktur kan føre til anisotropi, hvilket får implantater til at være meget stærkere i nogle retninger end andre. Hvis den 3D-printede vaskulære stent af nikkeltitaniumlegering har ru søjleformede krystaller, kan dens radiale støttekraft være 30 % lavere end den for det homogene ligeaksede krystalvæv.
Høj porøsitet: Når pulverpartikler ikke smelter helt sammen under udskrivning, skaber de mikroporer, som gør materialet mindre tæt. Hvis porøsiteten er mere end 1 %, kan implantatets udmattelsesstyrke falde med mere end 50 %, og faren for korrosion kan stige.
Biokompatibilitetsrisiko: Ustabile faser, såsom martensit, kan udsende giftige ioner og forårsage betændelse. For eksempel, hvis der er meget martensit tilbage i 3D-printede kobolt-chromlegeringer, kan emissionen af ​​nikkelioner være mere end normalt, hvilket kan forårsage allergi i nærliggende væv.
Ved at kontrollere temperaturen og varigheden optimerer varmebehandlingen mikrostrukturen:
Udglødning: får søjleformede krystaller til at blive til ligeaksede krystaller og slipper af med metastabile faser. For eksempel, efter udglødning ved 750 grader raffineres kornstørrelsen af ​​3D-trykt titanlegering til mindre end 10 μm, og anisotropien er meget reduceret.
Varm isostatisk presning (HIP): Fjernelse af indre porer ved høje temperaturer og tryk (typisk 100–200 MPa) for at få en materialedensitet tæt på 100 %. Undersøgelser viser, at HIP-behandling kan mindske porøsiteten af ​​3D-printede kobolt-chromlegeringer fra 0,8 % til 0,02 % og øge træthedslevetiden med tre gange.
Fast opløsning plus alder: Til formhukommelsesmaterialer som nikkel-titanium-legeringer opløser behandling med fast opløsning skadelige faser, mens ældningsbehandling udløser styrkelsesfaser. Dette balancerer styrke med superelasticitet. For eksempel steg den radiale støttekraft af 3D-printede vaskulære stenter i nikkel-titaniumlegering med 20 % efter behandling med fast opløsning ved 500 grader og ældning ved 400 grader. Formgendannelsesprocenten steg også til over 99%.
3. Opfyldelse af kliniske behov: en dobbelt garanti for tilpasning og funktionalisering
Medicinske implantater skal skræddersyes til patientens anatomiske struktur og samtidig opfylde specifikke funktionelle kriterier, såsom knogleintegration og lægemiddelfrigivelse. Varmebehandling hjælper med kliniske anvendelser på følgende måder:
Kombination af varmebehandling med andre overfladebehandlingsmetoder som sandblæsning og syreætsning kan gøre overfladen af ​​implantater mere ru og hjælpe knogleceller til at holde sig bedre til dem. For eksempel, efter at være blevet udglødet og sandblæst, er overfladeruheden (Ra) af 3D-printede titanlegeringshofteled 3-5 μm, og hastigheden, hvormed knoglerne integreres, er 40 % hurtigere end på glatte overflader.
3D-print kan lave porøse strukturer med 30 % til 80 % porøsitet og porestørrelser på 100 til 1000 μm, hvilket svarer til, hvordan naturlige knogletrabekler fungerer. Varmebehandling sørger for, at strukturen holder sig stabil ved at slippe af med stresskoncentration på porøse steder. For eksempel, efter HIP-behandling, kan porøse titaniumlegerings-interbody-fusionsanordninger modstå belastninger på over 100 MPa, hvilket er, hvad der er nødvendigt til klinisk brug.
Støtte til lægemiddelpåfyldning: Opvarmningsimplantater kan ændre de kemiske egenskaber af deres overflader, hvilket giver lægemiddelbelægninger steder at klæbe. For eksempel dannes et lag af magnesiumoxid på overfladen af ​​en 3D-printet vaskulær stent af magnesiumlegering efter udglødning. Dette lag kan indeholde anti-proliferativ medicin gennem fysisk adsorption for at opnå lokal vedvarende frigivelse.
4. Branchenormer og certificeringskrav: varmebehandling er påkrævet
Medicinske implantater skal certificeres af strenge grupper som FDA, CE og NMPA. Varmebehandling er en vigtig del af certificeringsprocessen:
ISO 13485-standarden siger, at implantatproducenter skal føre detaljerede optegnelser over hele varmebehandlingsprocessen, herunder temperaturkurver, atmosfærekontrol og testdata.
ASTM F3001-standarden siger, at udglødningstemperaturen for 3D-printede titanlegeringsimplantater skal holdes mellem 650 og 750 grader for at forhindre, at kornene bliver for grove.
YY/T 0640 standard: Efter HIP-behandling skal kobolt-chromlegeringsimplantater have en porøsitet på højst 0,1 % og ingen kontinuerlige porekæder.