非晶态金属用途广泛，因为它们具有卓越的性能。它们非常坚硬，但也非常有弹性。这应该是矛盾的，但与这些材料不矛盾。非晶态金属或金属玻璃具有无序的内部结构。这是因为它们从熔融状态迅速冷却，从而阻止了有序的晶体结构的形成。结果是一种无定形的非晶态固体，其中的原子在很大程度上保持无序状态。
用 3D 打印机制作的桡骨板植入物适应骨骼的运动并促进愈合过程。 （由 Heraeus Amloy Technologies GmbH 提供）除了出色的强度和弹性外，非晶态金属的不寻常结构还使其具有耐腐蚀和耐磨性。它们非常适合医疗耐磨手术刀和微创手术器械等应用。将来，它们还将用于制造用于人体内的植入物。当受到压力和张力时，它们的行为几乎像人骨一样，具有相似的弹性模量。这意味着它们的刚性低于其他材料，因此能够更好地承受骨骼必须承受的负荷。
这些新材料也是植入物的理想选择。它们与当前选择的材料钛或其合金 Ti6Al4V 一样具有生物相容性。人体对由非晶态金属制成的植入物具有很高的耐受性。
来自增材制造的新合金
总部位于德国哈瑙的 Heraeus Amloy 公司目前正在研究用于使用的新合金在医疗植入物的制造中。 “锆基合金适用于医疗应用，”Heraeus Amloy 创新经理 Eugen Milke 说。 “我们已经h有一种生物相容性锆合金——Amloy-ZR02——已通过 ISO 10993-5 和 ISO 10993-12 认证。”
根据 Milke 的说法，医疗领域对钛合金也有需求：“钛是用于骨植入物和人工起搏器等医疗部件的成熟材料，因此我们目前也在研究钛合金。”
开发团队正在使用增材制造工艺生产实际部件. Heraeus Amloy 为此专门对 Amloy-ZR02 的成分进行了改良。在与 TRUMPF 激光专家的联合项目中，该公司正在研究使用 TruPrint 2000 3D 打印机在工业上生产由非晶态金属制成的部件。
创新工艺遇到创新材料
3D 打印机和新型轻质材料构成了完美的团队。激光仅在制造零件所需的地方创建结构。这节省了材料和重量，即使是大型复杂部件。该工艺的热输入很低，这是非晶态金属生产的关键要求。直径仅为 55 μm 的激光束仅产生一个小熔池。因此，热量会迅速消散，确保达到每秒 200 开尔文的临界冷却速率。这可以防止熔融金属结晶。窄光束焦点还可以生产具有高表面质量和细节程度的复杂结构。
与晶体材料不同，非晶态金属不具有有序的晶格状结构。 （由 Heraeus Amloy Technologies GmbH 提供）通快增材制造公司总经理 Klaus Parey 充满信心：“非晶金属为众多行业提供了巨大的潜力。它们特别适合医学工程中的应用，这是增材制造最重要的领域之一。因此，我们相信这次合作是我们和我们的工业 3D 打印机进一步进军这一关键市场的绝佳机会。” Heraeus Amloy 负责人 Jürgen Wachter 对此表示赞同：“这种创新材料和增材制造的结合有可能彻底改变医疗实践。通过与诊所的密切合作，将有可能使用 3D 打印机来生产为个体患者量身定制的植入物。”
来自 3D 打印机的植入物
为了实现为了实现这一愿景，这两个合作伙伴在格拉茨医科大学签署了一项研究项目。医疗应用临床增材制造 (CAMed) 于 2019 年 10 月启动，由奥地利联邦气候行动、环境、能源、机动性、创新和技术部 (BMK)、奥地利联邦政府资助由联邦数字和经济事务部 (BMDW) 和奥地利联邦施蒂利亚州的商业发展机构 Steierische Wirtschaftsförderungsgesellschaft (SFG) 负责。 CAMed 正在研究针对个体患者定制植入物增材制造的完整工艺链。除了计算机建模、数据处理和各种精加工工艺等领域外，该项目还关注新材料和生产方法。
具体而言，这意味着使用 3D 打印机生产用于治疗身体损伤的肋骨植入物和定制板植入物。这里有巨大的潜力，特别是在复杂骨折的情况下。对于目前市场上的植入物——例如，桡骨板植入物或其他用于创伤手术的植入物——通常需要做出很大的妥协。首先，只有几种基本尺寸的植入物可用。对于身体伤害或肿瘤后的病变，impr因此需要产卵。这意味着外科医生必须用手弯曲金属植入物，直到它具有正确的形状，然后用螺钉将其固定到骨头上。有时，它仍然牢牢依附；有时不那么重要。这是因为植入物会承受恒定的应变。例如，肋骨植入物每年必须完成大约 800 万次呼吸。这通常会导致应力性骨折或胸骨固定装置松动，因此需要进一步干预。目前，没有其他选择。
此外，为了促进手术后的愈合过程，植入物的骨骼必须稳定，但也需要定期运动。用于固定肱骨（上臂的骨头）的板植入物就是这种情况，传统植入物很快就会遇到其极限。
相比之下，3D 打印可以提供由非晶材料制成的定制植入物，具有所需的强度，但也足够灵活承受和缓冲必要的运动。同时，增材制造工艺还可以创造多孔的表面纹理，促使骨组织在植入物中扎根。如果需要光滑的表面，以便于后期取出植入物，这种方法也可以产生一微米的表面质量，而无需任何精加工。这比大多数其他材料都要好。此外，如果需要更光滑的表面，可以使用铣床实现低至 Ra 0.05–0.08 μm 的表面粗糙度。
非晶态金属具有生物相容性、强度极高、弹性高，并且耐腐蚀和磨损。这使它们成为医疗应用的理想材料。 （由 Heraeus Amloy Technologies GmbH 提供）Almost Like Human Bone
作为 CAMed 项目的一部分，贺利氏目前正在测试合金 AMLOY-ZR02。这包括 65% 的锆、16% 的铜、12% 的镍、4% 的铝和 3% 的钛。这种新合金的密度为 6.6 g/cm³，比医用植入物中常用的钛合金重。然而，使用增材制造工艺提供的设计自由度意味着需要更少的材料，从而可以减轻多达 20% 的重量。同样，2,000 MPa 的抗弯强度和 1,700 MPa 的抗拉强度意味着植入物可以做得比平常更薄。此外，它的弹性模量为 85 GPa，比钛更接近人体骨骼 (17–21 GPa)。如果目标是灵活性和强度的结合，那么新的 AMLOY 合金是制造板植入物的理想选择，因为这些植入物可以做得比钛更薄。这也促进了愈合过程。
全新的应用程序
初始CAMed 项目的结果非常有前途。因此，适合个体患者并具有出色材料特性的增材制造植入物现在是一个非常真实的前景。其他应用，如假体植入物和心脏瓣膜也是可能的。凭借其卓越的性能，非晶态金属用途极为广泛，将促成许多新应用，尤其是在医学工程领域。
