激光粉末床熔融技术制备多孔金属骨支架的材料-工艺-结构-性能关系研究

为解决骨缺损临床治疗中人工骨植入体的结构定制与性能优化难题，研究人员系统综述了激光粉末床熔融（LPBF）技术制备多孔金属支架的全流程。研究详细分析了金属材料选择、支架结构设计、工艺参数调控及后处理方法对支架生物相容性、力学性能和微观结构的影响，为个性化骨修复植入体的开发提供理论指导与技术支撑。

　　

骨缺损修复的困境与突破
全球每年超过140万患者需接受关节置换手术，而老年人群上肢脆性骨折占比高达30%。传统自体/异体骨移植存在供体有限、免疫排斥等缺陷，亟需开发兼具生物相容性、力学适配性和结构定制化的人工骨植入体。多孔金属支架因其优异的力学性能和细胞亲和性成为理想候选，但传统制备技术难以精确调控孔隙结构。激光粉末床熔融（LPBF）技术的出现为这一难题带来转机——这种高能束增材制造技术能以微米级精度构建复杂三维结构，实现从材料到性能的全链条调控。

技术方法精要
山东某研究团队通过系统梳理LPBF技术制备多孔金属支架的全流程，重点考察了钛合金、316L不锈钢等金属材料的生物适配性，采用计算机辅助设计（CAD）构建梯度孔隙结构，优化激光功率（200-400W）、扫描速度（50-150mm/s）等关键工艺参数，结合热处理、热等静压（HIP）等后处理技术提升支架性能。

核心研究发现
金属生物材料：钛合金（如Ti-6Al-4V）凭借低弹性模量（110GPa）和优异耐腐蚀性成为主流选择，316L不锈钢成本更低但存在镍离子释放风险，可降解镁合金（如WE43）则展现出原位骨替代潜力但降解速率需调控。

多孔支架结构设计：当孔隙率>60%且孔径为300-800μm时，支架既能模拟松质骨力学性能（弹性模量0.5-20GPa），又可促进细胞迁移营养运输。三周期极小曲面（TPMS）结构较传统立方格栅表现出更优的应力分布特性。

工艺参数调控：激光体能量密度（VED=激光功率/（扫描速度× hatch间距×层厚））显著影响熔池形貌，当VED为50-100J/mm³
时可减少未熔合缺陷，表面粗糙度Ra可控制在20-40μm以增强细胞粘附。

后处理优化：850℃/2h真空热处理使Ti-6Al-4V支架残余应力降低70%，HIP处理可消除99.5%内部孔隙；酸蚀-阳极氧化复合表面改性使成骨细胞增殖率提升3倍。

结论与行业影响
该研究建立了LPBF技术"材料-工艺-结构-性能"四维调控理论框架，证实通过参数协同优化可制备弹性模量匹配天然骨（1-30GPa）、抗压强度>100MPa的个性化支架。特别指出拓扑优化设计与多尺度结构仿生将成为未来研究方向，而开发低成本可降解金属（如锌基合金）及智能响应性支架是突破临床转化瓶颈的关键。这项发表于《Optics》的综述为骨科植入物的精准医疗提供了重要技术路线图。