Γιατί η μετα-επεξεργασία της τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων στην ιατρική βιομηχανία απαιτεί θερμική επεξεργασία;

1. Απαλλαγή από το υπολειπόμενο στρες: πρόληψη αποτυχίας και παραμόρφωσης του εμφυτεύματος
Η τρισδιάστατη εκτύπωση μετάλλων, όπως η επιλεκτική τήξη με λέιζερ (SLM), φτιάχνει καλούπια λιώνοντας τη μεταλλική σκόνη στρώμα προς στρώμα. Ωστόσο, η πολύ γρήγορη θέρμανση και ψύξη του υλικού μπορεί να προκαλέσει πίεση στο εσωτερικό του. Εάν αυτό το άγχος δεν εκτονωθεί αρκετά γρήγορα, θα μπορούσε να οδηγήσει στα ακόλουθα προβλήματα:
Στρεβλώσεις και ρωγμές: Εάν η υπολειπόμενη τάση είναι μεγαλύτερη από την αντοχή διαρροής του υλικού, το εμφύτευμα μπορεί να αλλάξει μόνιμα σχήμα ή ακόμη και να σπάσει μέσα στις πρώτες εβδομάδες χρήσης στο σώμα. Για παράδειγμα, εάν υπάρχει μεγάλη πίεση στο κύπελλο της κοτύλης από κράμα τιτανίου, θα μπορούσε να μετακινηθεί κατά την ανάκαμψη του ασθενούς από τη χειρουργική επέμβαση λόγω της απελευθέρωσης του στρες, πράγμα που θα μπορούσε να σημαίνει ότι ο ασθενής χρειάζεται μια δεύτερη χειρουργική επέμβαση.
Μειωμένη ακρίβεια διαστάσεων: Η παραμόρφωση που προκαλείται από το στρες-μπορεί να βλάψει τη συμβατότητα μεταξύ του εμφυτεύματος και του ανθρώπινου ιστού. Για τα οδοντικά εμφυτεύματα, για παράδειγμα, η ακρίβεια του νήματος πρέπει να διατηρείται εντός ενός μικρομέτρου και η υπολειπόμενη τάση μπορεί να προκαλέσει αλλαγή σχήματος του νήματος, γεγονός που μπορεί να θέσει σε κίνδυνο την αρχική σταθερότητα του φατνιακού οστού.
Συντόμευση της διάρκειας κόπωσης: Τα εμφυτεύματα είναι πιο πιθανό να θρυμματιστούν υπό την κυκλική πίεση. Μελέτες δείχνουν ότι η διάρκεια κόπωσης χαμηλού κύκλου των 3D τυπωμένων στηρίξεων από κράμα κοβαλτίου χρωμίου, απουσία θερμικής επεξεργασίας, μειώνεται κατά πάνω από 40% σε σχέση με τα συμβατικά σφυρήλατα εξαρτήματα.
Η ανακούφιση από το στρες είναι δυνατή μέσω διαδικασιών θερμικής επεξεργασίας όπως η ανόπτηση υπό κενό. Σε αυτή τη διαδικασία, το εμφύτευμα θερμαίνεται στη σωστή θερμοκρασία (συνήθως κάτω από τη θερμοκρασία ανακρυστάλλωσης), διατηρείται για λίγο και στη συνέχεια ψύχεται αργά, ώστε οι εσωτερικοί κόκκοι του υλικού να μπορούν να ανακτήσουν και να ανακρυσταλλωθούν, γεγονός που ανακουφίζει από το στρες. Για παράδειγμα, η ανόπτηση υπό κενό στις 650 μοίρες μειώνει την υπολειπόμενη τάση των ορθοπεδικών εμφυτευμάτων από κράμα τιτανίου 3D εκτύπωσης κατά περισσότερο από 80% και βελτιώνει σημαντικά τη δομική τους σταθερότητα.
2. Βελτίωση της μικροδομής: ισχυρότερη και πιο συμβατή με τα ζωντανά όντα
Η γρήγορη στερεοποίηση της μεταλλικής τρισδιάστατης εκτύπωσης μπορεί εύκολα να προκαλέσει μια ανομοιόμορφη μικροδομή, όπως κολονοειδείς κρύσταλλοι, μετασταθερές φάσεις και πορώδες. Αυτό μπορεί να κάνει τα εμφυτεύματα να λειτουργούν λιγότερο καλά συνολικά.
Επιδείνωση των μηχανικών ιδιοτήτων: Η κολονοειδής κρυσταλλική δομή μπορεί να οδηγήσει σε ανισοτροπία, με αποτέλεσμα τα εμφυτεύματα να είναι πολύ ισχυρότερα σε ορισμένες κατευθύνσεις από άλλες. Εάν το τρισδιάστατο εκτυπωμένο αγγειακό stent από κράμα νικελίου τιτανίου έχει τραχείς στηλώδεις κρυστάλλους, για παράδειγμα, η ακτινική του δύναμη στήριξης μπορεί να είναι 30% χαμηλότερη από αυτή του ομοιογενούς ισοαξονισμένου κρυσταλλικού ιστού.
Υψηλό πορώδες: Όταν τα σωματίδια σκόνης δεν συγχωνεύονται πλήρως κατά την εκτύπωση, δημιουργούν μικροπόρους, γεγονός που καθιστά το υλικό λιγότερο πυκνό. Εάν το πορώδες είναι μεγαλύτερο από 1%, η αντοχή του εμφυτεύματος σε κόπωση μπορεί να μειωθεί περισσότερο από 50% και ο κίνδυνος διάβρωσης μπορεί να αυξηθεί.
Κίνδυνος βιοσυμβατότητας: Οι ασταθείς φάσεις, όπως ο μαρτενσίτης, μπορεί να απελευθερώσουν τοξικά ιόντα και να προκαλέσουν φλεγμονή. Για παράδειγμα, εάν έχει απομείνει πολύς μαρτενσίτης σε 3D εκτυπωμένα κράματα κοβαλτίου χρωμίου, η εκπομπή ιόντων νικελίου μπορεί να είναι μεγαλύτερη από την κανονική, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει αλλεργίες σε κοντινούς ιστούς.
Με τον έλεγχο της θερμοκρασίας και της διάρκειας, η θερμική επεξεργασία βελτιστοποιεί τη μικροδομή:
Ανόπτηση: κάνει τους στηλώδεις κρυστάλλους να μετατρέπονται σε ισοαξονικούς κρυστάλλους και απαλλάσσει τις μετασταθερές φάσεις. Για παράδειγμα, μετά την ανόπτηση στους 750 μοίρες, το μέγεθος κόκκου του τρισδιάστατου-εκτυπωμένου κράματος τιτανίου εξευγενίζεται σε λιγότερο από 10 μm και η ανισοτροπία μειώνεται πολύ.
Ζεστή ισοστατική συμπίεση (HIP): Απαλλαγή από εσωτερικούς πόρους σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις (συνήθως 100–200 MPa) για να επιτευχθεί πυκνότητα υλικού κοντά στο 100%. Μελέτες δείχνουν ότι η επεξεργασία HIP μπορεί να μειώσει το πορώδες των τρισδιάστατων εκτυπωμένων κραμάτων κοβαλτίου χρωμίου από 0,8% σε 0,02% και να ενισχύσει τη διάρκεια της κόπωσης κατά τρεις φορές.
Στερεό διάλυμα συν ηλικία: Για υλικά μνήμης σχήματος όπως κράματα νικελίου τιτανίου, η επεξεργασία στερεού διαλύματος διαλύει τις επιζήμιες φάσεις, ενώ η επεξεργασία γήρανσης επιβραδύνει τις φάσεις ενίσχυσης. Αυτό εξισορροπεί τη δύναμη με την υπερελαστικότητα. Για παράδειγμα, η ακτινική δύναμη στήριξης των τρισδιάστατων εκτυπωμένων αγγειακών στεντ από κράμα νικελίου τιτανίου αυξήθηκε κατά 20% μετά από επεξεργασία με στερεό διάλυμα στους 500 βαθμούς και γήρανση στους 400 βαθμούς. Το ποσοστό ανάκτησης φόρμας ανέβηκε επίσης σε πάνω από 99%.
3. Ικανοποίηση κλινικών αναγκών: διπλή εγγύηση προσαρμογής και λειτουργικότητας
Τα ιατρικά εμφυτεύματα πρέπει να είναι προσαρμοσμένα στην ανατομική δομή του ασθενούς, ενώ πληρούν συγκεκριμένα λειτουργικά κριτήρια, όπως η ενσωμάτωση των οστών και η απελευθέρωση φαρμάκου. Η θερμική επεξεργασία βοηθά στις κλινικές εφαρμογές με τους ακόλουθους τρόπους:
Ο συνδυασμός θερμικής επεξεργασίας με άλλες μεθόδους επιφανειακής επεξεργασίας όπως η αμμοβολή και η όξινη χάραξη μπορεί να κάνει την επιφάνεια των εμφυτευμάτων πιο τραχιά και να βοηθήσει τα οστικά κύτταρα να κολλήσουν καλύτερα σε αυτά. Για παράδειγμα, μετά την ανόπτηση και την αμμοβολή, η τραχύτητα επιφάνειας (Ra) των αρθρώσεων ισχίου από 3D τυπωμένο κράμα τιτανίου είναι 3–5 μm και η ταχύτητα με την οποία ενσωματώνονται τα οστά είναι 40% μεγαλύτερη από ό,τι σε λείες επιφάνειες.
Η τρισδιάστατη εκτύπωση μπορεί να δημιουργήσει πορώδεις δομές με πορώδες 30% έως 80% και μεγέθη πόρων από 100 έως 1000 μm, κάτι παρόμοιο με το πώς λειτουργούν οι φυσικές δοκίδες των οστών. Η θερμική επεξεργασία διασφαλίζει ότι η δομή παραμένει σταθερή με την απαλλαγή από τη συγκέντρωση στρες σε πορώδη σημεία. Για παράδειγμα, μετά τη θεραπεία HIP, οι συσκευές τήξης από πορώδη κράμα τιτανίου μπορούν να αντέξουν φορτία άνω των 100 MPa, που είναι αυτό που χρειάζεται για κλινική χρήση.
Υποστήριξη φόρτωσης φαρμάκων: Τα θερμαντικά εμφυτεύματα μπορούν να αλλάξουν τα χημικά χαρακτηριστικά των επιφανειών τους, δίνοντας στις επικαλύψεις φαρμάκων σημεία για να κολλήσουν. Για παράδειγμα, ένα στρώμα οξειδίου του μαγνησίου σχηματίζεται στην επιφάνεια ενός τρισδιάστατου-εκτυπωμένου αγγειακού stent από κράμα μαγνησίου μετά την ανόπτηση. Αυτό το στρώμα μπορεί να συγκρατήσει αντι-πολλαπλασιαστικά φάρμακα μέσω φυσικής προσρόφησης για να επιτευχθεί τοπική παρατεταμένη απελευθέρωση.
4. Βιομηχανικά πρότυπα και απαιτήσεις πιστοποίησης: απαιτείται θερμική επεξεργασία
Τα ιατρικά εμφυτεύματα πρέπει να πιστοποιούνται από αυστηρές ομάδες όπως το FDA, το CE και το NMPA. Η θερμική επεξεργασία είναι ένα σημαντικό μέρος της διαδικασίας πιστοποίησης:
Το πρότυπο ISO 13485 λέει ότι οι κατασκευαστές εμφυτευμάτων πρέπει να διατηρούν λεπτομερή αρχεία για ολόκληρη τη διαδικασία θερμικής επεξεργασίας, συμπεριλαμβανομένων των καμπυλών θερμοκρασίας, του ελέγχου της ατμόσφαιρας και των δεδομένων δοκιμών.
Το πρότυπο ASTM F3001 λέει ότι η θερμοκρασία ανόπτησης για 3D εκτυπωμένα εμφυτεύματα κράματος τιτανίου θα πρέπει να διατηρείται μεταξύ 650 και 750 μοιρών για να μην γίνονται πολύ χοντροκομμένοι οι κόκκοι.
Πρότυπο YY/T 0640: Μετά τη θεραπεία HIP, τα εμφυτεύματα από κράμα κοβαλτίου χρωμίου πρέπει να έχουν πορώδες όχι μεγαλύτερο από 0,1% και χωρίς συνεχείς αλυσίδες πόρων.