0 引言 Introduction

人体组织主要由自组装聚合物(蛋白质)和骨矿物质组成，金属以微量元素的形式存在，具有分子尺度的功能。然而，金属及其合金在重建手术中尤其是作为结构生物材料起着主要作用[1]。金属生物材料是人类应用最早也是目前使用最多的医用生物材料之一，目前临床使用的金属生物材料包括不锈钢、钴铬合金(Co-Cr合金)、钛(Ti)等不可降解金属及镁(Mg)、铁(Fe)、锌(Zn)等可降解金属。由于传统模具铸造和锻造工艺制备的金属生物材料弹性模量大，难以获得复杂的外部形态和内部结构，使其应用范围受到了一定的限制[2]。

近年来随着3D打印技术的进步和可打印材料的加速发展，有学者提出利用3D打印技术克服传统制作工艺缺陷[3]，这在一定程度上促进了外科手术规划和外科金属植入物的进步。目前已有大量体内外实验证实3D打印金属基生物材料在实践应用中的可行性，为推进个性化医学提供了前所未有的可能性。目前，3D打印金属基生物材料主要用于组织修复、骨科植入、口腔科及心血管设备的应用(图1)[4]。该文将综合评述目前应用较为广泛的钛基、镁基、钽基、钴铬合金等3D打印金属基生物材料的研究进展及临床应用，并展望其未来发展趋势。

图1｜金属3D打印的生物医学应用[4]图注：(a)颅骨假体；(b)手术导板；(c)肩胛骨假体；(d)膝盖假体；(e)牙植入物；(f)椎间融合器； (g)髋臼杯；(h)髋关节假体

1 资料和方法 Data and methods

1.1 文献检索和筛选要求

1.1.1 检索数据库 在PubMed、CNKI数据库中进行相关文献检索，检索时间范围为2010年6月至2020年6月。

1.1.2 检索词 以“金属生物材料，金属3D打印，外科植入物，心血管设备，口腔应用”为中文检索词，以“metallic biomaterials；metallic 3D printing；surgical implants；cardiovascular device；oral application”为英文检索词。

1.2 文献筛选标准

纳入标准：①有关3D打印介绍的文献；②有关3D打印金属基生物材料研究的文献；③有关3D打印金属基生物材料临床应用的文献；④优先选择近期发表的，同一领域中心主题相近、论据可靠的相关文献。

排除标准：①与研究目的无相关性的文章；②重复性研究文章；③中、英文以外语种的文献；④论点论据不明确文章。

1.3 质量评估及数据的提取计算机初步检索得到220篇文献，通过阅读文题和摘要进行初步筛选获得150篇文献；阅读全文后排除重复性研究及内容不相关的文献，排除论点论据不明确文献，最终纳入92篇文献进行综述，见图2。

图2｜文献检索流程图

2 结果 Results

2.1 生物医学应用的金属3D打印技术在生物医学应用中，按金属3D打印工艺原理不同分为2大类：粉末床选区熔融和定向能量沉积两大类别。粉末床选区熔融系统分为选择性激光熔化、直接金属激光烧结、选择性激光烧结和电子束熔化技术[5-6]。定向能量沉积工艺包括激光金属沉积和激光工程网成形[7]。以选择性激光熔化技术为例简要叙述金属3D打印基本工作原理，见图3：通过CAD或CT给定要制造物体的三维模型，将模型分解为二维切片，并将得到的数据转化为数控工作台的运动轨迹，在真空或惰性气体保护室中将一薄层金属粉末均匀地铺在建筑平台上，根据预定运动轨迹利用高功率能量器将金属粉末选择性地熔化，当一层的金属粉末熔化完成时建筑平台降低预定距离(通常为20-100 mm)，并且将下一层粉末沉积在平台上，然后重复该过程直到完成所需的零件为止[8]。

图3｜选择性激光熔化工艺制备金属基生物材料示意图[8]图注：依照箭头所示为选择性激光熔化工艺制备金属基生物材料的形成过程。3D CAD：三维计算机辅助设计

目前，通过金属3D打印能够批量生产具有复杂几何形状和内部结构的金属植入物，以及满足特定患者需求的定制医疗植入物生产；面对诸多的金属打印技术，需根据要制造的零件的复杂性或设计注意事项不同而选择适宜的增材制造工艺。该节列举当前常用几种金属3D打印技术的特点及优缺点，见表1[9-14]。

2.2 金属基材料研究进展金属生物材料应具有以下基本特征：优异的生物相容性；高耐腐蚀性；合适的机械性能；高耐磨性；骨整合[15]；具体的设计和选择取决于其特定的医学应用，例如：用于整形外科或牙科应用的生物材料应具有较高的机械刚度和缓慢的生物降解速率。在该节中将介绍几种研究较为深入的金属基生物材料当前的研究进展。