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Additive manufacturing of titanium alloys for biomedical applications: A systematic review

鈦合金在生物醫學應用中的增材制造：系統性綜述

作者信息：

Yue Gao ^a b, Wentao Jiang ^a b, Da Zeng ^c, Xiongwei Liang ^c, Chaoli Ma ^a b, Wenlong Xiao ^a b *

a Tianmushan Laboratory, Beihang University, Hangzhou, 311115, China

b School of Materials Science and Engineering, Beihang University,Beijing, 100191, China

c Double Medical Technology Inc., Xiamen, 361026, China

https://doi.org/10.1016/j.revmat.2025.100011

文章介紹：

生物金屬材料因其卓越的比強度、出色的耐腐蝕性、耐疲勞性和優異的生物相容性，在醫學領域得到了廣泛應用。隨著醫療技術的不斷進步和全球老齡化人口的增長，對生物金屬材料的需求預計將急劇上升。代表性的實用金屬生物材料大致可以分為三類：不銹鋼、鈷基合金和鈦合金，占全球生物材料市場份額的約40%。尤其是鈦合金，由于其高強度、優異的生物相容性、低密度和良好的加工性，廣泛應用于骨科植入物。然而，傳統鈦合金（如純鈦、Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb）的功能性、生物相容性和使用壽命已逐漸顯示出不足，無法滿足現代臨床應用的需求。這些材料的固有限制往往會導致并發癥，包括由于機械性能不足而導致的植入物斷裂，以及由于骨整合不良而導致的未愈合，給患者帶來相當大的不適和困擾。為了緩解這些問題，具有改進機械性能的鈦合金，能夠與植入部位要求相匹配，并且增強骨整合，預計將在生物醫學材料的進展中發揮至關重要的作用。

鈦合金的生物醫學應用一直是研究的重點，如圖1a所示。Web of Science中“生物醫學鈦合金”的相關文獻數量逐年穩步增加，彰顯了這一領域日益增長的關注。然而，大多數鈦合金仍采用傳統機械加工方法生產，這種方法成本高，涉及復雜的冶煉和熱機械過程，并且通常無法滿足日益增長的個性化治療需求。計算機輔助增材制造（AM）技術作為一種有前景的解決方案，已成為制造鈦合金的重要手段，使得根據個體患者的特定需求定制和優化植入物成為可能。這種方法能夠更加精確和高效地生產個性化醫療器械，為改善臨床結果和提高患者滿意度鋪平了道路。自2012年以來，使用增材制造技術制造生物醫學鈦合金的研究逐漸興起，突顯了其可持續發展的重要性和潛力。根據2024年11月的世界知識產權組織（WIPO）數據（如圖1b所示），美國和歐洲的國家在生物醫學鈦合金相關專利數量上占據主導地位，其中大量專利集中在增材制造技術上。相比之下，亞洲國家的專利數量相對較低。

本文對增材制造（AM）技術在生物醫學鈦合金中的特性、應用和進展進行了全面的綜述。重點討論了固化特性、缺陷生成、微觀結構演變以及后處理對生物醫學鈦合金性能的影響。此外，文章還討論了生物醫學標準的現狀以及通過增材制造生產的鈦合金的臨床應用。進一步地，文章強調了增材制造技術在生物醫學鈦合金開發和應用中的新興趨勢、挑戰及未來方向，提供了有關該領域潛在創新和改進的見解。

中文摘要：
本文對通過增材制造（AM）技術制造的生物醫學鈦合金進行了系統的綜述。文章首先概述了鈦金屬的發展及其在生物醫學領域，特別是在骨科和牙科植入物中的應用。綜述突出了近期的進展，例如多孔結構的引入。文章探討了生物醫學鈦合金增材制造的關鍵方面，包括材料特性、制備參數、固化行為和后熱處理，重點分析了它們對微觀結構和材料性能的影響。本文還總結了當前生物醫學鈦合金的標準現狀，并以討論增材制造生物醫學鈦合金的未來趨勢、機遇和挑戰作為結尾，包括材料創新、工藝優化以及個性化植入物整合方面的進展。本綜述旨在為增材制造生物醫學鈦合金的持續發展和未來方向提供寶貴的見解。