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极端制造 | 革命性医疗植入物制造: 生物医用金属增材制造进展

2025-6-9 17:15

阅读：719

作者

李玉华、蒋德宇、朱瑞、杨成亮、王立强、张来昌

机构

西安科技大学、上海交通大学、上海电力大学、右江民族医学院附属医院、澳大利亚伊迪斯科文大学

Citation

Li Y H, Jiang D Y, Zhu R, Yang C L, Wang L Q, Zhang L C. 2025. Revolutionizing medical implant fabrication: advances in additive manufacturing of biomedical metals. Int. J. Extrem. Manuf. 7 022002.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad92cc

1. 文章导读

生物医学金属植入材料在临床上有着广泛的应用，包括牙科种植体、髋关节置换、骨板和螺钉等。然而，传统制造技术在应对个性化医疗需求、内部结构的精细控制以及提高材料利用率方面存在局限。以钛合金零件为例，传统工艺在制造复杂形状时，材料浪费率高达10:1至20:1，这造成了巨大的材料浪费。增材制造技术的出现为材料的制造带来了变革。它不仅能够实现生物打印，如打印心脏、肝脏和血管化肺泡等前沿医学应用，也在航空航天领域展现出巨大应用潜力，如打印飞机和火箭的零部件。

此外，增材制造技术还被应用于建筑行业，实现了整栋建筑的快速建造。在医疗领域，增材制造技术能够根据患者的具体解剖结构和生理需求，设计并制造出与人体骨骼高度匹配的个性化植入物。通过精确控制植入物的内部多孔结构，增材制造不仅可以提高植入物的生物相容性，还能有效降低由于材料模量不匹配导致的应力屏蔽效应，促进骨组织的生长和修复。尽管如此，增材制造技术在实际应用中仍面临一些挑战。例如，柱状晶粒引起的各向异性、孔隙率的普遍存在以及裂纹的形成等问题，都是增材制造过程中亟需解决的技术难题。此外，材料选择、结构设计、工艺优化等也是影响所打印零部件的最终性能的关键因素。

近期，西安科技大学李玉华副教授、上海电力大学朱瑞教授、上海交通大学王立强研究员，澳大利亚埃迪斯科文大学张来昌教授在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表了《革命性医疗植入物制造: 生物医用金属增材制造进展》的综述论文。该综述探讨了增材制造技术在生物医用金属材料领域的最新进展，概述了增材制造技术如何应用于制造医用金属植入物，进而重点分析了钛合金、不锈钢、钴铬合金以及可降解合金等材料的性能。同时，该综述还介绍了4D打印技术、人工智能在增材制造中的应用，并讨论了增材制造技术在骨科、牙科、心血管科和神经外科等临床领域的实际应用案例。最后，文章指出了增材制造在医用金属制造方面所面临的挑战和未来发展方向。

关键词

增材制造、生物医学金属、医疗植入物、材料特性、临床应用

亮点

回顾了医用金属增材制造的最新进展；

总结了增材制造技术在不同生物医用金属材料中的应用；

介绍了4D打印技术以及人工智能与增材制造技术结合应用；

回顾了增材制造医用金属的性能与临床应用；

讨论了增材制造医用金属的挑战和未来发展方向。

图1 增材制造在多个领域的应用。

2. 研究背景

生物医学金属植入材料在临床医学应用中至关重要。随着医用材料的发展和患者个性化需求的增加，传统医疗植入物的制造方法难以满足当前的临床需求。传统制造技术在制造具有复杂形状和多孔结构的医疗植入件存在一定的局限性，同时在材料利用效率上亦有所不足，这导致了大量的材料浪费。新兴的增材制造技术为生物医学金属植入件的制造带来了突破性的变革。这项技术以其逐层堆叠成型的制造原理和优势，为个性化、复杂形状植入件的制造提供了全新的解决方案。通过精确制备个性化的复杂结构零部件，增材制造技术不仅能够实现对植入件内部结构的精准调控，亦能显著提高材料的利用率，从而减少制造过程中材料的浪费。

本文通过论述增材制造技术在生物医学金属植入材料领域的最新进展，包括医用承重合金、可降解合金、新型金属材料以及4D打印技术的应用，可为增材制造技术未来的研究方向及技术的改进提供参考和启示。

3. 最新进展

本文介绍了几种可用于医用金属的增材制造技术，包括PBF-LB（激光束粉末床熔融）、EB-PBF（电子束粉末床熔融）、SLS（选区激光烧结）和DED（定向能量沉积）。同时，分析了PBF-LB、EB-PBF、SLS和DED等不同增材制造技术的优缺点，还讨论了如何根据植入物的特性、机械性能、生产效率和设备成本等应用需求选择合适的增材制造技术。此外，本文还介绍了人工智能在医用金属增材制造技术领域的应用，文章还强调了后处理，如热处理和表面改性在提升植入物性能、满足医用要求的重要性。

图2 增材制造在医用金属植入物中的临床应用。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[61]。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[62]。转载许可来自参考文献[63]，版权2021，爱思唯尔。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[64]。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[65]。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[66]。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[67]。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[68]。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[69]。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[70]。

图3 用于生成具有给定刚度的桁架晶格的框架。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[216]。

文章详细介绍了目前使用的一系列材料，包括但不限于钛合金、不锈钢、钴铬合金、可降解镁合金、锌合金、铁合金、新型液态金属等。由于这些材料各具特色，文章逐一分析了它们的性能和属性，可根据具体需求和应用场景选择合适的材料体系。4D打印技术不仅继承了3D打印技术在制造复杂形状和结构上的自由度，还增添了其他维度的变化，使得材料能够响应外部反应，实现自我变形和功能的适应。镓基液态金属的引入为智能材料的开发提供了新的方向，亦为制造可重构和自适应的设备和产品提供了可能，并为读者提供一个4D打印技术发展的视野。另外，文章还介绍了增材制造技术在骨科、口腔科、心血管和神经外科方面的应用，并展望其在未来工业和医疗领域的应用前景。

图4 增材制造成形的医用钛合金。(a) PBF-LB- TiNi合金的性能。(i) TiNi原始形状(ii) TiNi弯曲状态，(iii) TiNi恢复过程，(iv) TiNi恢复形状。转载许可来自参考文献[268]，版权所有2022，爱思唯尔;(b) 增材制造法制备多孔Ti-6Al-4V-β-磷酸三钙(TCP)复合支架示意图。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[278];(c)锻造Ti-6Al-7Nb和Ti-6Al-4V合金的疲劳强度和腐蚀强度比较。转载许可来自参考文献[279]，版权2025，爱思唯尔。

图5 4D打印响应软机器人的应用。(a)和(b)通过近红外光响应LMPCs释放物体的演示。比例尺对应10mm。(c)和(d)用近红外光控制的LMPCs抓取和释放物体的演示。比例尺对应于10mm。(e)和(f)近红外照射后旋转结构恢复原形的演示。比例尺对应5mm。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[367]。

图6 增材制造在心血管支架的应用。(a)在不同状态下的支架: (i)初始状态、(ii)折叠状态、(iii)展开状态。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[418]; (b)在不同时间段所形成的支架内新生内膜: (i, ii) 1个月组新生内膜面积; (iii, iv) 6个月组新生内膜面积。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[418]; (c)支架对应的数字减影血管造影(DSA)结果。根据CC-BY许可条款，转载自参考文献[418]。

4. 未来展望

诚然，我们必须认识到增材制造技术所遇到的障碍，例如成本考虑、遵法守规和后处理。在3D打印设备和高质量金属粉末的初始投资中以及大批量生产时，增材制造技术会有高成本等问题的担忧。然而，预计随着增材制造技术日臻成熟，其规模经济和行业竞争可能会减轻这些担忧。另外，医疗器械需要严格遵循相关国家监管部门的要求，并且在时间方面，获得医疗器械许可证的漫长过程是一个重大挑战。此外，后处理会影响交货时间，应予以细致权衡。克服这些障碍对于增材制造在生物医用材料应用至关重要，这需要行业相关者、研究人员和监管机构的共同努力。随着这些挑战的解决，利用增材制造技术制造医疗植入件会变得越来越可行，并且个性化、高性能的植入件有望更易于制造、更具成本效益。

5. 作者简介

李玉华

西安科技大学

李玉华，工学博士，副教授，硕士生导师，就职于西安科技大学机械工程学院。2016年于华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心获博士学位。长期从事高强低模医用钛合金、高强韧结构钛合金的成分设计、制备技术、结构性能及应用开发等研究。先后主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金、陕西省自然科学基金等项目，发表论文30余篇，被引1700余次，单篇最高被引800余次，授权国家专利9项，参编英文专著1部。

朱瑞

上海电力大学

朱瑞，博士、教授、博士生导师，毕业于上海交通大学机械与动力工程学院。现担任上海电力大学数理学院院长、智慧能源数学研究中心主任、智能制造专业带头人、中国振动工程学会转子专委会常务委员和上海市动力学与控制专委会委员。主要研究方向为故障智能诊断与识别、装备智能制造和数字化设计等领域。获得上海市人才发展基金（2021）资助，入选“中澳青年科学家交流计划”。主持国家自然科学基金2项、上海市教委科委以及企事业单位横向课题等20余个科研项目。发表学术论文70 余篇，获授权发明专利 23 项，主持荣获 2020 年度中国振动工程学会技术发明二等奖省部级以上科技奖励3项；获得国家教学成果二等奖1项，上海市教学成果特等奖等省部级以上教学奖励4项。

王立强

上海交通大学

王立强，2009年在中国上海交通大学材料科学与工程学院获得博士学位。自2020年起担任上海交通大学研究员，博士生导师。目前的研究方向主要集中在生物医用金属材料的设计与制备、金属基复合材料以及转化医学研究。迄今为止，已经发表在《Progress in Materials Science》《Acta Materialia》《 International Journal of Plasticity》《Corrosion Science》等期刊超过200篇国际期刊论文。被引7100余次，H因子48。ESI高被引8篇，封面3篇。专著5本。目前担任《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》和《Frontiers in Materials》的副主编，《Virtual and Physical Prototyping》《International Journal of Bioprinting》《Current Nanoscience》《Coatings》等期刊的编委。

张来昌

伊迪斯科文大学

张来昌，澳大利亚伊迪斯科文大学终身教授、先进材料与制备中心主任、机械工程学科负责人、德国“洪堡”学者、全球高被引科学家、先进材料“桂冠奖”获得者。张教授于2005年毕业中国科学院金属研究所并获得博士学位，先后就职于德国达姆斯塔特工业大学和莱布尼茨固体材料研究所、澳大利亚伍伦贡大学大学、西澳大利亚大学和伊迪斯科文大学。其长期从事新型材料的制备、结构和性能，尤其是新型钛合金的制备工艺和性能的研究，研究兴趣主要包括金属增材制造、金属生物医用材料、轻量化材料和结构、高强度材料等。迄今为止，已出版英文专著3本、书籍章节21章，发表在《Science》《Progress in Materials Science》《Materials Science Engineering R: Reports》《Advanced Materials》《Materials Today》《Advanced Functional Materials》《Applied Catalysis B: Environmental》《Acta Materialia》《Composites B: Engineering》《Corrosion Science》等国际著名学术期刊发表论文390余篇，H指数为87，引用次数超过2.7万次。其部分研究成果已经在澳大利亚国家电视台（ABC）新闻频道全球直播采访、澳大利亚《访谈》（The Conversation）采访报道、中央电视台（CCTV-4）、新华社和《科技日报》等知名媒体报道。现担任超过10本学术期刊的编辑或编委，如《International Journal of Extreme Manufacturing》《Advanced Powder Materials》《Advanced Engineering Materials》《金属学报》（英文版）等。

关于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing (《极端制造》），简称IJEM，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子16.1，位列工程/制造学科领域第一。中国科学院分区工程技术1区。入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊。

期刊网址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

作者福利

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