Чому після-обробка металу 3D-друком у медичній промисловості потребує термічної обробки?

1. Позбавлення від залишкової напруги: запобігання виходу з ладу та деформації імплантату
Металевий 3D-друк, як і лазерне селективне плавлення (SLM), виготовляє форми шляхом плавлення металевого порошку шар за шаром. Однак надто швидке нагрівання та охолодження матеріалу може викликати напругу всередині нього. Якщо цей стрес не зняти досить швидко, це може призвести до таких проблем:
Викривлення та розтріскування: якщо залишкова напруга перевищує межу текучості матеріалу, імплантат може остаточно змінити форму або навіть зламатися протягом перших кількох тижнів використання в тілі. Наприклад, якщо вертлюжна чашка з титанового сплаву сильно навантажується, вона може переміститися під час відновлення пацієнта після операції через зняття напруги, що може означати, що пацієнту потрібна друга операція.
Знижена точність розмірів: деформація-, спричинена напругою, може погіршити сумісність між імплантатом і тканиною людини. Для зубних імплантатів, наприклад, точність різьблення має бути в межах мікрометра, а залишкова напруга може призвести до зміни форми різьби, що може поставити під загрозу початкову стабільність альвеолярної кістки.
Скорочений термін служби втоми: імплантати частіше розбиваються під час циклічного навантаження. Дослідження вказують на те, що втомна довговічність 3D-друкованих опор із кобальт-хромового сплаву без термічної обробки зменшується більш ніж на 40% порівняно зі звичайними кованими компонентами.
Зняття напруги можливо за допомогою процесів термічної обробки, таких як вакуумний відпал. У цьому процесі імплантат нагрівають до потрібної температури (зазвичай нижче температури перекристалізації), витримують деякий час, а потім повільно охолоджують, щоб внутрішні зерна матеріалу могли відновитися та перекристалізуватись, що знімає стрес. Наприклад, вакуумний відпал при 650 градусах знижує залишкову напругу ортопедичних імплантатів із титанового сплаву, надрукованих на 3D, більш ніж на 80% і значно покращує їх структурну стабільність.
2. Покращення мікроструктури: робить її міцнішою та більш сумісною з живими істотами
Швидке затвердіння металевого 3D-друку може легко спричинити нерівномірну мікроструктуру, як-от стовпчасті кристали, метастабільні фази та пористість. Це може погіршити роботу імплантатів.
Погіршення механічних властивостей: стовпчаста кристалічна структура може призвести до анізотропії, через що імплантати будуть набагато міцнішими в одних напрямках, ніж в інших. Наприклад, якщо судинний стент із нікель-титанового сплаву, надрукований на 3D-друкі, має шорсткі стовпчасті кристали, його радіальна підтримуюча сила може бути на 30% нижчою, ніж у однорідної рівновісної кристалічної тканини.
Висока пористість: коли частинки порошку не зливаються повністю під час друку, вони утворюють мікропори, що робить матеріал менш щільним. Якщо пористість більше 1%, втомна міцність імплантату може впасти більш ніж на 50%, а небезпека корозії може зрости.
Ризик біосумісності: нестабільні фази, такі як мартенсит, можуть виділяти токсичні іони та викликати запалення. Наприклад, якщо в 3D-друкованих сплавах кобальту і хрому залишилося багато мартенситу, випромінювання іонів нікелю може бути більшим, ніж зазвичай, що може викликати алергію в сусідніх тканинах.
Завдяки контролю температури та тривалості термообробка оптимізує мікроструктуру:
Відпал: перетворює стовпчасті кристали на рівновісні та позбавляє від метастабільних фаз. Наприклад, після відпалу при 750 градусах розмір зерна титанового сплаву, надрукованого на 3D-вимірі, зменшується до менше ніж 10 мкм, а анізотропія значно зменшується.
Гаряче ізостатичне пресування (HIP): видалення внутрішніх пор за високих температур і тиску (зазвичай 100–200 МПа), щоб отримати щільність матеріалу, близьку до 100%. Дослідження показують, що обробка HIP може зменшити пористість кобальтохромових сплавів, надрукованих на 3D, з 0,8% до 0,02% і збільшити довговічність у три рази.
Твердий розчин плюс старіння: для матеріалів із пам’яттю форми, таких як нікель-титанові сплави, обробка твердим розчином розчиняє шкідливі фази, тоді як обробка старінням спричиняє фази зміцнення. Це врівноважує міцність із надпружністю. Наприклад, радіальна опорна сила 3D-друкованих судинних стентів із нікель-титанового сплаву зросла на 20% після обробки твердим розчином при 500 градусах і старіння при 400 градусах. Швидкість відновлення форми також перевищила 99%.
3. Задоволення клінічних потреб: подвійна гарантія налаштування та функціональності
Медичні імплантати мають бути адаптовані до анатомічної структури пацієнта, одночасно відповідаючи певним функціональним критеріям, таким як інтеграція кістки та вивільнення ліків. Теплова обробка допомагає клінічному застосуванню в таких випадках:
Поєднання термічної обробки з іншими методами обробки поверхні, такими як піскоструминна обробка та травлення кислотою, може зробити поверхню імплантатів шорсткішою та допомогти кістковим клітинам краще прилипати до них. Наприклад, після відпалу та піскоструминної обробки шорсткість поверхні (Ra) 3D-друкованих тазостегнових суглобів із титанового сплаву становить 3–5 мкм, а швидкість з’єднання кісток на 40% вища, ніж на гладких поверхнях.
3D-друк може створювати пористі структури з пористістю від 30% до 80% і розміром пор від 100 до 1000 мкм, що схоже на роботу природних кісткових трабекул. Термічна обробка гарантує, що структура залишається стабільною, позбавляючись від концентрації напруги в пористих місцях. Наприклад, після лікування HIP пристрої з пористого титанового сплаву можуть витримувати навантаження понад 100 МПа, що є необхідним для клінічного використання.
Підтримка завантаження ліків: нагрівальні імплантати можуть змінювати хімічні характеристики своїх поверхонь, даючи покриттям ліків місця для прилипання. Наприклад, шар оксиду магнію утворюється на поверхні 3D-надрукованого судинного стента з магнієвого сплаву після відпалу. Цей шар може утримувати анти-проліферативні ліки шляхом фізичної адсорбції для досягнення місцевого тривалого вивільнення.
4. Галузеві норми та вимоги сертифікації: необхідна термічна обробка
Медичні імплантати мають бути сертифіковані такими суворими групами, як FDA, CE та NMPA. Термічна обробка є важливою частиною процесу сертифікації:
Стандарт ISO 13485 говорить, що виробники імплантатів повинні вести детальні записи всього процесу термічної обробки, включаючи температурні криві, контроль атмосфери та дані випробувань.
Стандарт ASTM F3001 говорить, що температура відпалу для 3D-друкованих імплантатів із титанового сплаву повинна підтримуватися між 650 і 750 градусами, щоб зерна не стали занадто грубими.
Стандарт YY/T 0640: після обробки HIP імплантати зі сплаву кобальту і хрому повинні мати пористість не більше 0,1% і не мати суцільних ланцюжків пор.