Kāpēc metāla 3D drukas pēcapstrādei medicīnas nozarē ir nepieciešama termiskā apstrāde?

1. Atbrīvošanās no atlikušā stresa: implanta atteices un deformācijas novēršana
Metāla 3D drukāšana, tāpat kā lāzera selektīvā kausēšana (SLM), veido veidnes, izkausējot metāla pulveri slāni pa slānim. Tomēr pārāk ātra materiāla uzsildīšana un atdzesēšana var atstāt tajā stresu. Ja šis stress netiek atbrīvots pietiekami ātri, tas var izraisīt šādas problēmas:
Izliekšanās un plaisāšana: ja atlikušais spriegums ir lielāks par materiāla tecēšanas robežu, implants var neatgriezeniski mainīt formu vai pat salūzt pirmajās lietošanas nedēļās ķermenī. Piemēram, ja uz titāna sakausējuma acetabular kausu ir liels stress, pacienta atveseļošanās laikā pēc operācijas tas var pārvietoties spriedzes atbrīvošanas dēļ, kas var nozīmēt, ka pacientam ir nepieciešama otra operācija.
Samazināta izmēru precizitāte: stresa{0}}izraisīta deformācija var pasliktināt implanta un cilvēka audu savietojamību. Piemēram, zobu implantiem vītnes precizitāte ir jāsaglabā līdz mikrometram, un atlikušais spriegums var izraisīt diega formas maiņu, kas var apdraudēt alveolārā kaula sākotnējo stabilitāti.
Saīsināts noguruma mūžs: Implanti, visticamāk, saplīsīs stresa cikla laikā. Pētījumi liecina, ka 3D drukāto kobalta hroma sakausējuma balstu zema cikla noguruma kalpošanas laiks bez termiskās apstrādes ir samazināts par vairāk nekā 40%, salīdzinot ar parastajiem kaltajiem komponentiem.
Stresa mazināšana ir iespējama, izmantojot termiskās apstrādes procesus, piemēram, vakuuma atkausēšanu. Šajā procesā implants tiek uzkarsēts līdz vajadzīgajai temperatūrai (parasti zem rekristalizācijas temperatūras), kādu laiku tiek turēts un pēc tam lēnām atdzesēts, lai materiāla iekšējie graudi varētu atgūties un pārkristalizēties, kas mazina stresu. Piemēram, vakuuma atkausēšana 650 grādu leņķī samazina 3D drukāto titāna sakausējuma ortopēdisko implantu atlikušo spriegumu par vairāk nekā 80% un ievērojami uzlabo to strukturālo stabilitāti.
2. Mikrostruktūras uzlabošana: padarot to stiprāku un saderīgāku ar dzīvām būtnēm
Metāla 3D drukas ātra sacietēšana var viegli izraisīt nevienmērīgu mikrostruktūru, piemēram, kolonnu kristālus, metastabilas fāzes un porainību. Tas var pasliktināt implantu darbību kopumā.
Mehānisko īpašību pasliktināšanās: kolonnu kristāla struktūra var izraisīt anizotropiju, kā rezultātā implanti dažos virzienos ir daudz stiprāki nekā citos. Ja, piemēram, 3D drukātajam niķeļa titāna sakausējuma asinsvadu stentam ir raupji kolonnveida kristāli, tā radiālais atbalsta spēks var būt par 30% mazāks nekā viendabīgajam līdzsvarotajam kristāliskajam audam.
Augsta porainība: kad pulvera daļiņas drukāšanas laikā pilnībā nesaplūst, tās rada mikroporas, kas padara materiālu mazāk blīvu. Ja porainība ir lielāka par 1%, implanta noguruma izturība var samazināties par vairāk nekā 50%, un var palielināties korozijas risks.
Biosaderības risks: nestabilas fāzes, piemēram, martensīts, var izdalīt toksiskos jonus un izraisīt iekaisumu. Piemēram, ja 3D drukātajos kobalta hroma sakausējumos ir palicis daudz martensīta, niķeļa jonu emisija var būt lielāka nekā parasti, kas var izraisīt alerģiju tuvējos audos.
Kontrolējot temperatūru un ilgumu, termiskā apstrāde optimizē mikrostruktūru:
Atkvēlināšana: liek kolonnu kristāliem pārvērsties par līdzvērtīgiem kristāliem un atbrīvojas no metastabilajām fāzēm. Piemēram, pēc atkausēšanas 750 grādos 3D-drukātā titāna sakausējuma graudu izmērs tiek attīrīts līdz mazākam par 10 μm, un anizotropija ir daudz samazināta.
Karstā izostatiskā presēšana (HIP): atbrīvošanās no iekšējām porām augstā temperatūrā un spiedienā (parasti 100–200 MPa), lai materiāla blīvums būtu tuvu 100%. Pētījumi liecina, ka HIP apstrāde var samazināt 3D drukāto kobalta hroma sakausējumu porainību no 0,8% līdz 0,02% un trīs reizes palielināt noguruma kalpošanas laiku.
Ciets šķīdums plus vecums: Formu saglabājošiem materiāliem, piemēram, niķeļa titāna sakausējumiem, apstrāde ar cieto šķīdumu izšķīdina kaitīgās fāzes, savukārt novecošanas apstrāde izraisa stiprināšanas fāzes. Tas līdzsvaro spēku ar superelastību. Piemēram, 3D drukāto niķeļa titāna sakausējuma asinsvadu stentu radiālais atbalsta spēks palielinājās par 20% pēc apstrādes ar cieto šķīdumu 500 grādu temperatūrā un novecošanu 400 grādos. Arī veidlapas atkopšanas līmenis pieauga līdz vairāk nekā 99%.
3. Klīnisko vajadzību apmierināšana: dubulta pielāgošanas un funkcionalizācijas garantija
Medicīniskiem implantiem jābūt pielāgotiem pacienta anatomiskajai struktūrai, vienlaikus izpildot specifiskus funkcionālos kritērijus, piemēram, kaulu integrāciju un zāļu izdalīšanos. Termiskā apstrāde palīdz klīniskai lietošanai šādos veidos:
Apvienojot termisko apstrādi ar citām virsmas apstrādes metodēm, piemēram, smilšu strūklu un kodināšanu ar skābi, implantu virsma var kļūt raupjāka un palīdzēt kaulu šūnām labāk pielipt pie tiem. Piemēram, pēc atkausēšanas un smilšu strūklas 3D drukātā titāna sakausējuma gūžas locītavu virsmas raupjums (Ra) ir 3–5 μm, un kaulu integrācijas ātrums ir par 40% ātrāks nekā uz gludām virsmām.
3D drukāšana var izveidot porainas struktūras ar 30% līdz 80% porainību un poru izmēru no 100 līdz 1000 μm, kas ir līdzīgi tam, kā darbojas dabiskās kaulu trabekulas. Termiskā apstrāde nodrošina struktūras stabilitāti, atbrīvojoties no stresa koncentrācijas porainās vietās. Piemēram, pēc HIP apstrādes porainā titāna sakausējuma starpķermeņu saplūšanas ierīces var izturēt slodzi, kas pārsniedz 100 MPa, kas ir nepieciešama klīniskai lietošanai.
Zāļu iekraušanas atbalsts: Implantu sildīšana var mainīt to virsmu ķīmiskās īpašības, nodrošinot zāļu pārklājumiem vietas pielipšanai. Piemēram, magnija oksīda slānis veidojas uz 3D-apdrukāta magnija sakausējuma asinsvadu stenta virsmas pēc atkausēšanas. Šis slānis var saturēt antiproliferatīvus medikamentus, izmantojot fizisku adsorbciju, lai panāktu vietēju ilgstošu izdalīšanos.
4. Nozares normas un sertifikācijas prasības: nepieciešama termiskā apstrāde
Medicīniskie implanti ir jāsertificē tādām stingrām grupām kā FDA, CE un NMPA. Termiskā apstrāde ir svarīga sertifikācijas procesa sastāvdaļa:
ISO 13485 standartā teikts, ka implantu ražotājiem ir jāveic detalizēta visu termiskās apstrādes procesa uzskaite, tostarp temperatūras līknes, atmosfēras kontrole un testēšanas dati.
ASTM F3001 standartā teikts, ka 3D drukāto titāna sakausējuma implantu atlaidināšanas temperatūrai jābūt no 650 līdz 750 grādiem, lai graudi nekļūtu pārāk rupji.
YY/T 0640 standarts: pēc HIP apstrādes kobalta hroma sakausējuma implantu porainībai jābūt ne lielākai par 0,1%, un tiem nedrīkst būt nepārtrauktas poru ķēdes.