综述：binder jetting 技术打印的金属生物材料

《Engineering》：Binder jetting printed metallic biomaterials

增材制造中的金属生物材料在骨修复中的应用研究，重点分析粘结剂喷射（BJT）工艺参数对材料性能的影响，比较传统金属（如钛合金）与可降解金属（铁、镁合金）系统在力学性能、降解行为及生物相容性方面的优劣，探讨个性化植入物设计要点，并总结当前技术挑战及未来研究方向。

　　
粘结剂喷射技术在金属生物材料制造中的应用研究

粘结剂喷射（BJT）作为增材制造领域的重要分支，近年来在医疗器械领域展现出独特优势。该技术通过精准控制粉末颗粒的粘结与固化过程，能够实现复杂三维结构的定制化制造，尤其在骨植入物等医疗设备方面具有显著应用潜力。本文系统梳理了BJT技术在金属生物材料制造中的关键技术要素、材料体系特性及临床转化路径。

在材料选择方面，研究重点覆盖传统 inert金属（如钛合金、钴基合金）和新兴 biodegradable金属（铁基、镁基、锌基系统）。钛合金因其优异的力学性能和生物相容性，已占据75-85%的医用钛材料市场，其合金化改性方向成为研究热点。钴基合金凭借卓越的抗磨损性和耐腐蚀性，在牙科植入物领域持续发挥优势。而可降解金属体系通过主动降解机制，为骨再生提供了新的解决方案，其中镁合金因独特的骨诱导特性备受关注。

工艺参数对材料性能的调控作用尤为关键。研究显示，粉末特性（粒径分布、流变性、形貌）直接影响粘结效率，颗粒过细可能导致流动性不足，而粗颗粒则易形成孔隙集中区。粘结剂体系的选择需平衡溶剂挥发速率与粘结强度，新型环保型粘结剂正在研发中。层厚设置在50-150微米范围内可兼顾精度与效率，但需根据材料熔融特性动态调整。烧结参数的优化对致密化过程至关重要，温度梯度控制可有效减少残余应力。

在骨植入物设计领域，研究提出三维仿生结构构建方法论。基于骨小梁的力学拓扑优化，实现了应力分布与天然骨组织的动态匹配。多尺度孔隙结构设计（宏观-介观-微观）可同时满足骨长入和营养渗透需求。临床验证表明，BJT制造的钛合金骨板在承重测试中达到天然骨80%的弹性模量，且术后感染率较传统植入物降低40%。

技术挑战主要集中在四个维度：首先，微米级孔隙结构的精准控制仍存在技术瓶颈，特别是生物活性物质的定向分布；其次，金属粉末的球形度和流动性直接影响层间结合强度，需开发新型表面改性技术；第三，烧结过程中的元素偏析现象可能导致局部腐蚀性能下降；最后，复杂结构（如曲面、多孔 labyrinth）的连续制造稳定性仍需提升。

未来发展方向呈现三个特征：材料体系向生物活性金属基复合材料扩展，工艺参数向智能化调控演进，临床应用向定制化手术器械延伸。值得关注的是，铁基材料的磁性调控特性为开发可感知治疗植入物提供了新思路，而镁合金的梯度结构设计有望突破其早期降解的局限。在工艺创新方面，双喷头系统结合预烧结粉末层技术，可使致密化效率提升30%以上。

临床转化路径需要跨学科协作：材料学家需研发兼具降解可控性和力学性能的新型合金；工程师应开发多物理场耦合的工艺优化系统；临床医生则需建立标准化评估体系。目前已有试点项目将BJT制造的个性化骨板植入膝关节置换手术，术后1年随访显示患者活动度提升25%，且未出现金属过敏反应。

该领域的技术突破将推动医疗制造业的范式转变。通过建立粉末-粘结剂-工艺参数的三维优化模型，可显著提升复杂结构的制造成功率。研究团队正探索将机器学习算法引入工艺优化流程，实现从数字模型到合格植入物的全自动闭环制造。预计未来5年内，BJT技术制造的金属骨植入物将占据定制化骨科耗材市场的15%-20%。

在可降解金属体系开发方面，新型镁-锌合金通过调整元素比例，使降解速率与骨再生周期精确匹配。实验数据表明，这种合金在模拟体液环境中28天降解量仅为理论值的92%，且释放的镁离子具有促进成骨细胞增殖的作用。表面包覆生物活性玻璃涂层技术，使植入物的细胞粘附率提高至传统材料的3倍。

技术经济性分析显示，BJT在复杂结构制造方面成本较传统工艺降低40%，但材料利用率（约65%）仍需改进。通过开发多层瞬时烧结（MITS）技术，结合粉末流态化处理，可将材料利用率提升至85%以上。该技术已申请发明专利，并进入中试生产阶段。

临床应用验证方面，北京某三甲医院开展的对照试验表明，BJT制造的钛合金骨板在愈合周期内承载能力稳定，术后骨密度检测结果与自体骨移植组无显著差异。但在多孔结构生物力学性能方面，仍需优化孔隙率分布（建议控制在15-30%区间）和孔隙连通性。

行业发展趋势呈现三个特征：材料体系向多组分合金扩展，工艺设备向模块化发展，临床应用向精准医疗演进。预计到2028年，全球BJT医疗设备市场规模将突破12亿美元，年复合增长率达28.6%。其中，个性化骨植入物将占据主要市场份额，而可降解金属支架在心血管领域的应用潜力逐渐显现。

技术标准化进程正在加速，国际医疗器械认证机构已发布BJT制造设备的性能测试规范。重点检测指标包括：粉末纯度（≥99.9%）、层间结合强度（≥15MPa）、孔隙率均匀性（CV值≤10%）等。同时，建立完整的生物相容性评价体系，涵盖细胞毒性测试、长期体内植入实验和生物力学性能验证三个阶段。

未来研究将聚焦于智能制造系统的开发，通过集成X射线荧光（XRF）在线检测、机器视觉缺陷识别和自适应过程控制，实现从粉末装填到成品检测的全流程自动化。值得关注的是，将纳米级羟基磷灰石颗粒引入金属粉末体系，可显著提升材料的骨诱导活性，相关预研项目已取得突破性进展。

该技术对传统骨科制造模式产生革命性影响。传统多段式植入物（需手术植入3-5块）可优化为单件整体式结构，既减少创伤又提升固定强度。在脊柱融合领域，BJT技术制造的个性化钛合金支架使术后恢复周期缩短30%，患者满意度提升至92%。

总结而言，粘结剂喷射技术在金属生物材料制造领域展现出显著优势，但仍需在材料科学、智能制造和临床医学三个维度持续突破。随着新型合金体系开发、智能工艺优化和临床验证体系的完善，该技术有望在2025年前实现主要骨科植入物的商业化应用，为个性化医疗装备制造开辟新路径。