De ce post{0}}procesarea imprimării 3D din metal în industria medicală necesită tratament termic?

1. Eliberarea stresului rezidual: prevenirea eșecului și distorsiunii implantului
Imprimarea 3D a metalelor, cum ar fi topirea selectivă cu laser (SLM), realizează matrițe prin topirea strat cu strat de pulbere de metal. Cu toate acestea, încălzirea și răcirea prea rapidă a materialului ar putea lăsa stres în interiorul acestuia. Dacă acest stres nu este eliberat suficient de repede, ar putea duce la următoarele probleme:
Deformare și fisurare: Dacă stresul rezidual este mai mare decât forța de curgere a materialului, implantul se poate schimba permanent sau chiar se poate rupe în primele câteva săptămâni de utilizare în corp. De exemplu, dacă există mult stres pe cupa acetabulară din aliaj de titan, aceasta s-ar putea mișca în timpul recuperării pacientului de la operație din cauza eliberării stresului, ceea ce ar putea însemna că pacientul are nevoie de o a doua intervenție chirurgicală.
Precizie dimensională scăzută: deformarea indusă de stres-poate afecta compatibilitatea dintre implant și țesutul uman. Pentru implanturile dentare, de exemplu, precizia filetului trebuie menținută la un micrometru, iar stresul rezidual poate determina schimbarea formei firului, ceea ce poate compromite stabilitatea inițială a osului alveolar.
Durata de viață scurtă la oboseală: implanturile sunt mai predispuse să se spargă în timpul ciclului de stres. Studiile indică faptul că durata de viață la oboseală cu ciclu redus a suporturilor din aliaj de cobalt crom imprimate 3D, în absența tratamentului termic, este diminuată cu peste 40% față de componentele forjate convenționale.
Reducerea stresului este posibilă prin procese de tratament termic, cum ar fi recoacerea în vid. În acest proces, implantul este încălzit la temperatura potrivită (de obicei sub temperatura de recristalizare), ținut o perioadă de timp și apoi răcit lent, astfel încât granulele interne ale materialului să se poată recupera și recristaliza, ceea ce ameliorează stresul. De exemplu, recoacerea cu vid la 650 de grade reduce stresul rezidual al implanturilor ortopedice din aliaj de titan imprimate 3D cu mai mult de 80% și îmbunătățește foarte mult stabilitatea structurală a acestora.
2. Îmbunătățirea microstructurii: făcând-o mai puternică și mai compatibilă cu viețuitoarele
Solidificarea rapidă a imprimării 3D din metal poate provoca cu ușurință o microstructură neuniformă, cum ar fi cristale columnare, faze metastabile și porozitate. Acest lucru poate face ca implanturile să funcționeze mai puțin bine în general.
Deteriorarea proprietăților mecanice: Structura cristalină columnară poate duce la anizotropie, determinând implanturile să fie mult mai puternice în unele direcții decât în ​​altele. Dacă stentul vascular imprimat 3D din aliaj de nichel titan are cristale columnare brute, de exemplu, forța sa radială de sprijin poate fi cu 30% mai mică decât cea a țesutului cristalin omogen echiaxial.
Porozitate ridicată: când particulele de pulbere nu se topesc complet în timpul imprimării, ele creează micropori, ceea ce face materialul mai puțin dens. Dacă porozitatea este mai mare de 1%, rezistența la oboseală a implantului poate scădea cu mai mult de 50%, iar pericolul de coroziune poate crește.
Risc de biocompatibilitate: Fazele instabile, cum ar fi martensita, pot elibera ioni toxici și pot provoca inflamații. De exemplu, dacă există multă martensită rămasă în aliajele de crom cobalt imprimate 3D, emisia de ioni de nichel poate fi mai mare decât în ​​mod normal, ceea ce ar putea provoca alergii în țesuturile din apropiere.
Controlând temperatura și durata, tratamentul termic optimizează microstructura:
Recoacerea: face ca cristalele columnare să se transforme în cristale echiaxiale și scapă de fazele metastabile. De exemplu, după recoacere la 750 de grade , dimensiunea granulației aliajului de titan imprimat 3D-este rafinată la mai puțin de 10 μm, iar anizotropia este mult redusă.
Presare izostatică la cald (HIP): Eliminarea porilor interni la temperaturi și presiuni ridicate (de obicei 100–200 MPa) pentru a obține o densitate a materialului aproape de 100%. Studiile indică faptul că tratamentul HIP poate diminua porozitatea aliajelor de crom cobalt imprimate 3D de la 0,8% la 0,02% și poate crește durata de viață la oboseală de trei ori.
Soluție solidă plus vârsta: Pentru materialele cu memorie de formă, cum ar fi aliajele de nichel-titan, tratamentul cu soluție solidă dizolvă fazele dăunătoare, în timp ce tratamentul îmbătrânirii precipită fazele de întărire. Aceasta echilibrează rezistența cu supraelasticitatea. De exemplu, forța de susținere radială a stenturilor vasculare din aliaj de nichel-titan imprimate în 3D a crescut cu 20% după tratamentul cu soluție solidă la 500 de grade și îmbătrânirea la 400 de grade. Rata de recuperare a formularelor a crescut, de asemenea, la peste 99%.
3. Satisfacerea nevoilor clinice: o dubla garantie de personalizare si functionalizare
Implanturile medicale trebuie să fie adaptate structurii anatomice a pacientului, îndeplinind în același timp criterii funcționale specifice, cum ar fi integrarea osoasă și eliberarea medicamentului. Tratamentul termic ajută la aplicațiile clinice în următoarele moduri:
Combinarea tratamentului termic cu alte metode de tratare a suprafeței, cum ar fi sablare și gravare cu acid, poate face suprafața implanturilor mai aspră și poate ajuta celulele osoase să se lipească mai bine de ele. De exemplu, după ce au fost recoapte și sablate, rugozitatea suprafeței (Ra) a articulațiilor șoldurilor din aliaj de titan imprimate 3D este de 3-5 μm, iar viteza cu care se integrează oasele este cu 40% mai rapidă decât pe suprafețele netede.
Imprimarea 3D poate face structuri poroase cu 30% până la 80% porozitate și dimensiuni ale porilor de 100 până la 1000 μm, ceea ce este similar cu modul în care funcționează trabeculele osoase naturale. Tratamentul termic asigură stabilitatea structurii eliminând concentrația de stres în locurile poroase. De exemplu, după tratamentul HIP, dispozitivele de fuziune intercorpară din aliaj de titan poros pot rezista la sarcini de peste 100 MPa, ceea ce este necesar pentru utilizarea clinică.
Suport pentru încărcarea medicamentelor: implanturile de încălzire pot modifica caracteristicile chimice ale suprafețelor lor, oferind acoperirilor de medicamente locuri de lipit. De exemplu, un strat de oxid de magneziu se formează pe suprafața unui stent vascular din aliaj de magneziu imprimat 3D-după recoacere. Acest strat poate reține medicamente anti-proliferative prin adsorbție fizică pentru a obține o eliberare locală susținută.
4. Norme industriale și cerințe de certificare: este necesar un tratament termic
Implanturile medicale trebuie să fie certificate de grupuri stricte precum FDA, CE și NMPA. Tratamentul termic este o parte importantă a procesului de certificare:
Standardul ISO 13485 spune că producătorii de implanturi trebuie să păstreze înregistrări detaliate ale întregului proces de tratament termic, inclusiv curbele de temperatură, controlul atmosferei și datele de testare.
Standardul ASTM F3001 spune că temperatura de recoacere pentru implanturile din aliaj de titan imprimate 3D ar trebui să fie menținută între 650 și 750 de grade pentru a împiedica boabele să devină prea grosiere.
Standard YY/T 0640: După tratamentul HIP, implanturile din aliaj de crom cobalt trebuie să aibă o porozitate de cel mult 0,1% și să nu aibă lanțuri continue de pori.