Tại sao quá trình-xử lý sau in 3D kim loại trong ngành y tế lại yêu cầu xử lý nhiệt?

1. Loại bỏ ứng suất dư: ngăn ngừa hư hỏng và biến dạng của cấy ghép
In 3D kim loại, giống như công nghệ nấu chảy chọn lọc bằng laser (SLM), tạo khuôn bằng cách nấu chảy từng lớp bột kim loại. Tuy nhiên, làm nóng và làm nguội vật liệu quá nhanh có thể gây ra ứng suất bên trong vật liệu. Nếu sự căng thẳng này không được giải phóng đủ nhanh, nó có thể dẫn đến các vấn đề sau:
Cong vênh và nứt: Nếu ứng suất dư cao hơn giới hạn chảy của vật liệu, bộ phận cấy ghép có thể thay đổi hình dạng vĩnh viễn hoặc thậm chí bị gãy trong vài tuần đầu tiên sử dụng trong cơ thể. Ví dụ, nếu có nhiều áp lực lên cốc ổ cối bằng hợp kim titan, nó có thể di chuyển trong quá trình bệnh nhân hồi phục sau phẫu thuật do giải phóng căng thẳng, điều đó có nghĩa là bệnh nhân cần phải phẫu thuật lần thứ hai.
Độ chính xác về kích thước giảm: Biến dạng do ứng suất-gây ra có thể làm giảm khả năng tương thích giữa mô cấy và mô người. Ví dụ, đối với cấy ghép nha khoa, độ chính xác của sợi chỉ phải được duy trì trong phạm vi micromet và ứng suất dư có thể khiến sợi chỉ thay đổi hình dạng, điều này có thể làm ảnh hưởng đến sự ổn định ban đầu của xương ổ răng.
Tuổi thọ mỏi được rút ngắn: Bộ cấy ghép có nhiều khả năng bị vỡ dưới chu kỳ căng thẳng. Các nghiên cứu chỉ ra rằng tuổi thọ mỏi chu kỳ thấp của các giá đỡ bằng hợp kim crom coban in 3D, không cần xử lý nhiệt, giảm hơn 40% so với các bộ phận rèn thông thường.
Có thể giảm căng thẳng thông qua các quy trình xử lý nhiệt như ủ chân không. Trong quá trình này, bộ phận cấy ghép được làm nóng đến nhiệt độ thích hợp (thường dưới nhiệt độ kết tinh lại), giữ trong một thời gian, sau đó làm nguội từ từ để các hạt bên trong vật liệu có thể phục hồi và kết tinh lại, giúp giảm bớt căng thẳng. Ví dụ, ủ chân không ở 650 độ giúp giảm hơn 80% ứng suất dư của bộ cấy chỉnh hình bằng hợp kim titan được in 3D và cải thiện đáng kể độ ổn định cấu trúc của chúng.
2. Cải thiện cấu trúc vi mô: làm cho nó bền hơn và tương thích hơn với các sinh vật sống
Quá trình hóa rắn nhanh chóng của in 3D kim loại có thể dễ dàng tạo ra cấu trúc vi mô không đồng đều, như tinh thể cột, pha siêu bền và độ xốp. Điều này có thể làm cho bộ cấy ghép hoạt động kém hiệu quả về tổng thể.
Sự suy giảm các đặc tính cơ học: Cấu trúc tinh thể dạng cột có thể dẫn đến tính dị hướng, khiến mô cấy trở nên bền hơn ở một số hướng so với các hướng khác. Ví dụ, nếu stent mạch máu bằng hợp kim niken titan được in 3D có tinh thể cột thô, lực hỗ trợ xuyên tâm của nó có thể thấp hơn 30% so với mô tinh thể cân bằng đồng nhất.
Độ xốp cao: Khi các hạt bột không kết dính hoàn toàn trong quá trình in, chúng sẽ tạo ra các lỗ nhỏ, làm cho vật liệu ít đậm đặc hơn. Nếu độ xốp lớn hơn 1%, độ bền mỏi của bộ cấy có thể giảm hơn 50% và nguy cơ ăn mòn có thể tăng lên.
Nguy cơ tương thích sinh học: Các pha không ổn định, chẳng hạn như martensite, có thể giải phóng các ion độc hại và gây viêm. Ví dụ: nếu còn nhiều martensite trong hợp kim crom coban in 3D, thì sự phát thải ion niken có thể nhiều hơn bình thường, có thể gây dị ứng ở các mô lân cận.
Bằng cách kiểm soát nhiệt độ và thời gian, xử lý nhiệt sẽ tối ưu hóa cấu trúc vi mô:
Ủ: làm cho các tinh thể dạng cột biến thành tinh thể cân bằng và loại bỏ các pha siêu bền. Ví dụ: sau khi ủ ở 750 độ, kích thước hạt của hợp kim titan in 3D{3}}được tinh chế xuống dưới 10 μm và tính dị hướng giảm đi nhiều.
Ép đẳng tĩnh nóng (HIP): Loại bỏ các lỗ rỗng bên trong ở nhiệt độ và áp suất cao (thường là 100–200MPa) để đạt được mật độ vật liệu gần 100%. Các nghiên cứu chỉ ra rằng xử lý HIP có thể làm giảm độ xốp của hợp kim crom coban được in 3D từ 0,8% xuống 0,02% và nâng cao tuổi thọ mỏi lên gấp ba lần.
Dung dịch rắn cộng với tuổi thọ: Đối với các vật liệu có khả năng nhớ hình dạng như hợp kim titan niken, việc xử lý bằng dung dịch rắn sẽ hòa tan các pha có hại, trong khi quá trình xử lý lão hóa sẽ tạo ra các pha tăng cường. Điều này cân bằng sức mạnh với siêu đàn hồi. Ví dụ, lực hỗ trợ xuyên tâm của stent mạch máu bằng hợp kim titan niken được in 3D đã tăng 20% ​​sau khi xử lý bằng dung dịch rắn ở 500 độ và lão hóa ở 400 độ. Tỷ lệ phục hồi biểu mẫu cũng lên tới hơn 99%.
3. Đáp ứng nhu cầu lâm sàng: đảm bảo kép về khả năng tùy chỉnh và chức năng hóa
Cấy ghép y tế phải được điều chỉnh phù hợp với cấu trúc giải phẫu của bệnh nhân đồng thời đáp ứng các tiêu chí chức năng cụ thể, chẳng hạn như tích hợp xương và giải phóng thuốc. Xử lý nhiệt giúp ích cho các ứng dụng lâm sàng theo những cách sau:
Kết hợp xử lý nhiệt với các phương pháp xử lý bề mặt khác như phun cát và khắc axit có thể làm cho bề mặt của mô cấy trở nên cứng hơn và giúp các tế bào xương bám vào chúng tốt hơn. Ví dụ, sau khi được ủ và phun cát, độ nhám bề mặt (Ra) của khớp hông bằng hợp kim titan in 3D là 3–5 μm và tốc độ tích hợp xương nhanh hơn 40% so với trên bề mặt nhẵn.
In 3D có thể tạo ra các cấu trúc xốp với độ xốp từ 30% đến 80% và kích thước lỗ từ 100 đến 1000 μm, tương tự như cách hoạt động của bè xương tự nhiên. Xử lý nhiệt đảm bảo cấu trúc ổn định bằng cách loại bỏ sự tập trung ứng suất ở những nơi xốp. Ví dụ, sau khi xử lý bằng HIP, các thiết bị nhiệt hạch liên thân bằng hợp kim titan xốp có thể chịu được tải trọng trên 100 MPa, đây là mức cần thiết để sử dụng trong lâm sàng.
Hỗ trợ nạp thuốc: Bộ phận cấy ghép gia nhiệt có thể thay đổi đặc tính hóa học trên bề mặt của chúng, tạo ra những chỗ bám dính cho lớp phủ thuốc. Ví dụ: một lớp oxit magie hình thành trên bề mặt của stent mạch máu bằng hợp kim magie in 3D-sau khi ủ. Lớp này có thể chứa-các loại thuốc chống tăng sinh thông qua sự hấp phụ vật lý để đạt được sự giải phóng ổn định cục bộ.
4. Các tiêu chuẩn ngành và yêu cầu chứng nhận: cần phải xử lý nhiệt
Cấy ghép y tế cần phải được chứng nhận bởi các nhóm nghiêm ngặt như FDA, CE và NMPA. Xử lý nhiệt là một phần quan trọng của quá trình chứng nhận:
Tiêu chuẩn ISO 13485 quy định rằng các nhà sản xuất bộ phận cấy ghép phải lưu giữ hồ sơ chi tiết về toàn bộ quá trình xử lý nhiệt, bao gồm đường cong nhiệt độ, kiểm soát không khí và dữ liệu thử nghiệm.
Tiêu chuẩn ASTM F3001 quy định rằng nhiệt độ ủ đối với cấy ghép hợp kim titan in 3D phải được giữ trong khoảng từ 650 đến 750 độ để giữ cho các hạt không bị quá thô.
Tiêu chuẩn YY/T 0640: Sau khi xử lý HIP, cấy ghép hợp kim crom coban phải có độ xốp không quá 0,1% và không có chuỗi lỗ chân lông liên tục.