3D 打印钽医用金属材料

钽的基本性能

钽金属呈银白色,密度为 16.654 g/cm3,其高密度与相对原子质量、原子半径及原子体积相关。钽原子相对原子质量约为 180.95，原子体积为 10.9 cm³ /mol，原子半径为 0.146 nm，每单位原子体积所具有的相对原子质量大，因而其密度高。钽具有体心立方的晶格结构，原子间排列紧密，滑移系较多，因此钽的延伸性能较好。钽原子间金属键合结合能大，破坏金属键合需 要的能量较大，导致其熔点高达 2997 °C。此外钽具有低膨胀系数，约为 7×10–6 ℃–1，低于金银铝铜铁等常见金属。

钽在医学领域的应用

钽在医疗领域的潜力得到了广泛的关注。图 2(d) 是医用钽钛复合材料，钽作为涂层可提升合金的生物相容性。然而涂层与基体材 料特性存在差异，表面改性涂层通常表现出较差的 粘结强度，且涂层在使用过程中容易受到破坏而限 制其作用。在医疗行业，使用钽作为主要原材料， 即制备全钽骨植入器械，是克服上述缺点的有效途径。但是由于钽的高熔点及对氧亲和力大等特点，使用传统加 x工方法加工难度大、生产效率和材料利用率低、大大提高了钽植入器械的制备成本，增 加病人负担，因此亟需一种新工艺来实现全钽骨植 入器械的高效精准成形。

3D打印钽

3D 打印是一种新型加工方法，该技术最显著的特点是可以根据所导入的工件模型，直接形成最后的三维样品。3D 打印中的激光粉末熔化技术（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）和电子束粉末熔化技术 （Electron Beam Melting, EBM）常被用于加工钽植 入器械，LPBF 加工示意图如图 3 所示。LPBF 加 工设备有 3 个仓室，分别为粉料仓、成形仓和回收仓， 打印前需提前将金属粉末加入粉料仓，加工时，粉末被刮刀均匀铺展在成形仓中，再由激光或电子束熔化加热后凝固成预先设定好的形状。粉末仓逐层 上升，成形仓逐层下降，层层叠加最后成形。

3D 打印医疗钽植入体案例

随 着 医 疗 水 平 的 不 断 进 步 及 《 中 国 制 造 2025》的实施，以增材制造为代表的新型制备工艺 推动了我国骨科植入体市场蓬勃发展。自2015年起，我国成为世界上第二大骨植入体消费国。目前 骨植入体产品根据使用场景可分为脊柱类、关节类 和创伤类，其中髋臼杯（关节植入物）和椎间融合 器（脊柱植入物）的商业化发展最快。骨植入体制 造材料包括金属、陶瓷、高分子和碳质材料，其中 钽作为金属骨植入体中的一员，具有极大的发展潜力。

脊柱类产品

关节类产品

2022 年，大连大学附属中山医院为患者进行了 世界首例3D打印钽金属踝关节植入（图 9）[24]。患者踝关节距骨坏死并患有踝关节炎症，为了解决患 者疼痛症状并恢复脚踝灵活性，该院为患者个性化 定制了 3D 打印金属钽踝关节。植入后患者恢复良 好，术后一天即可缓慢行走。

骨盆部位手术一直是骨科手术中的难题之一。2022 年，大连大学附属中山医院为骨盆肿瘤导致右 髋关节变形的患者进行了 3D 打印钽半骨盆及髋关节 假体植入（图 10(a)），进一步拓宽了 3D 打印多孔 钽的应用。该患者受损部位大，需要切除髂骨、 髋臼及部分或全部耻骨和坐骨，切除及植入手术难度高。该院通过3D打印为患者定制的植入体与患者 切除后缺损部位高度匹配（图 10(b)），节省了植入手术时间。

创伤类产品

2019 年 4 月，由湘雅医院研发的 3D 打印小梁 结构钽支架被成功植入股骨坏死的患者体内，这是 世界上首例钽金属支架植入手术（图 11）[26]。该钽 支架顶端与人体骨接触处呈弧形，与人体骨弧度相 似，受力时支架与人体骨接触点多，受到压力较为 平均，可防止植入体损坏。

3D打印用球形钽粉-星尘科技

关于星尘科技

星尘科技(广东)有限公司是一家专业从事3D打印、粉末冶金、表面工程等领域用高端球形粉体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业。公司坚持以射频等离子体球化制粉技术为核心，提供国际先进的粉体产品及应用解决方案。

医用级球形钽粉

星尘科技使用射频等离子体球化技术生产的球形钽粉凭借优异的生物相容性与骨长入特性，广泛应用于脊柱、关节、创伤等临床医疗植入物的3D打印。星尘科技在国内率先实现医用级球形钽粉的产业化突破，与国内一流骨科医院、医疗器械公司等共同推进钽金属的临床医疗应用，先后参与制定GB/T 38975-2020增材制造用钽及钽合金粉、GB/T 41883-2022粉末床熔融增材制造钽及组合金相关国家标准2项、YY/T1851-2022用于增材制造的医用纯钽粉末行业标准1项、T/CAMDI065-2021增材制造钽金属膝关节假体、T/CAMDI 066-2021增材制造钽金属个体化骨缺损填充体“等团体标准3项，协助完成钽金属临床应用500多例，植入假体包括钽金属椎间融合器骨垫块、髋关节、肩关节、膝关节、踝关节等。

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论文引用信息：

杨振宇, 朱江奇, 闫星辰. 3D打印钽医用金属材料[J]. 金属世界, 2023 (6): 16-23. doi: 10.3969/j.issn.1000-6826.2023.10.0885