非晶态金属——医疗技术领域的多面手

迄今为止,大多数医疗植入物和假体都是由钢或钛制成。此类材料的缺点在于无法很好地适应患者的身体情况及其骨骼的运动,因此可能很快就会断裂,导致二次手术。贺利氏非晶态金属全球业务单元与奥地利格拉茨大学共同开展的最新研究即将在这方面取得突破:借助非晶态金属材料,未来我们可以采用3D打印或注塑成型工艺生产出更适应患者的植入物和假体。

目前,患者在进行植入物手术时,不得不做出许多妥协。医疗植入物只有几种基本尺寸,因此在处理肿瘤切除或意外事故造成的损伤,医生必须根据患者的具体情况随机应变。手术中,外科医生要徒手折弯金属植入物的各个零部件,然后再用螺丝将其固定在患者的骨头上。然而,这种做法的效果时好时坏,因为金属植入物需要承受永久负荷,例如肋弓每年要承受约800万次的呼吸运动。因此,由于材料弹性不足而导致疲劳性骨折的情况并不少见,这时就需要再次进行手术。到目前为止,市面上还没有更耐久、性能更强的替代材料。

3D打印医疗植入物项目介绍

非晶态金属在医疗行业的应用
3D打印非晶态金属植入物(图中为桡骨板)可适应骨骼运动并促进愈合过程。

贺利氏非晶态金属希望改变上述局面:作为“医学应用临床增材制造”(CAMed)项目的一部分,贺利氏正在与格拉茨大学共同研究为患者定制的植入物,以及如何与诊所合作来生产和使用此类植入物。CAMed项目聚焦整条生产工艺链,主要借助增材制造(即3D打印)技术实现。3D打印非晶态金属植入物具有优异的生物相容性,并且可以根据患者体形进行个性化调整——这是一项重要优势,尤其是在复杂骨折的治疗中。此外,激光增材制造技术只打印必需的结构,因而还可以节约材料。

CAMed项目的初步研究成果前景可观,令患者和医院都能获益的增材制造植入物指日可待。此外,在可预见的未来,增材制造技术还会用于假体、人工心脏瓣膜等应用。

贺利氏的贡献:适用于3D打印和注塑成型的非晶态金属

非晶态金属植入物
Jürgen Wachter,贺利氏非晶态金属全球负责人

不过,3D打印技术需要特殊的材料才能取得成功,而这正是非晶态金属(即金属玻璃)的用武之地。研究表明,非晶态金属是医疗技术领域真正的“全能型选手”。它们拥有非凡的特性:由于非晶态金属是通过将金属熔体急剧冷却得到的,其原子无法形成晶格,而是以无序(无定形)状态被“冻结”。这种无序的内部结构使得非晶态金属兼具优异的耐腐蚀性、极高的强度和弹性。因此,该材料既能用在骨骼周围,也能按特定尺寸单独切割,即使制成较薄的板材也很稳定。“与钢和钛相比,非晶态金属拥有众多优势:这种材料兼具高强度和高弹性,能够很好地适应骨骼,促进恢复,而且植入时不会造成细胞变形,因而耐受性也极强。”贺利氏非晶态金属市场与销售负责人Valeska Melde表示。

目前,贺利氏非晶态金属正在开发用于生产植入物的新型合金。“作为CAMed项目的一部分,我们正在测试AMLOY-ZR02合金。其主要成分是高纯度锆,并且已经通过生物相容性认证。”贺利氏非晶态金属负责人Jürgen Wachter解释道。贺利氏是目前全球为数不多同时掌握增材制造和注塑成型两种技术来加工非晶态金属材料的制造商。其中,注塑成型尤其适用于大批量生产,例如手术螺丝和手术器械的生产。