Zu den am häufigsten verwendeten Materialien im Metall-3D-Druck gehört Titanlegierung-insbesondere Ti6Al4V. Hervorragende Biokompatibilität, hervorragende spezifische Festigkeit, starke Korrosionsbeständigkeit und leichte Eigenschaften sind hier reichlich vorhanden. Während des 3D-Druckprozesses weisen Titanlegierungen weniger Schmelzfehler auf, wodurch polierte Körner mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften entstehen können. Titanlegierungen haben jedoch auch Probleme mit der Spannungsabschirmung; Ihr Elastizitätsmodul ist weitaus höher als der von menschlichen Knochen, was zu einer unzureichenden Belastung der Knochen und einer Beeinträchtigung ihres Zustands führen kann. Forscher beschäftigen sich mit neuen Legierungsmaterialien und kreativen Designideen wie Ti-Ta- und Ti{10}}Nb-Legierungen, deren niedrigerer Elastizitätsmodul besser an die Steifigkeit von Knochen angepasst werden kann und somit die Auswirkungen von Stress Shielding verringert. Darüber hinaus kann die Steifigkeit des Implantats durch den Einsatz einer porösen Titanstruktur und Herstellungsverfahren wie Laser-Pulverbettschmelzen (PBF-LB) weiter verändert werden, wodurch die Knochengewebeentwicklung gefördert und die Knochenbindung gestärkt wird.
Aufgrund ihrer hohen Verschleißfestigkeit und Härte, insbesondere in Situationen mit hoher{0}Reibung und hoher-Belastung, werden Kobalt--Chrom-Legierungen-insbesondere Kobalt--Chrom--Molybdän-Legierungen-in großem Umfang in Zahnimplantaten, künstlichen Gelenken und anderen Bereichen eingesetzt. Der Erfolg von Kobalt-{8}}Chrom-Legierungen liegt in ihrem speziellen Komponentenmix, bei dem Chrom einen Oxidfilm auf der Oberfläche der Legierung bildet und so die innere Flüssigkeitskorrosion von Implantaten verhindert. Obwohl die meisten CoCr-Legierungen Ni enthalten, das allergische Reaktionen hervorrufen kann, kann der große Elastizitätsmodul von Kobalt-Chrom-Legierungen auch zu einer Stressabschirmung führen. Ingenieure gehen diese Probleme mit kreativen Designs an, einschließlich funktionell abgestufter poröser Strukturen mit unterschiedlichen Porengrößen und -dichten, um eine gleichmäßige Druckübertragung zu unterstützen, die Knochenbelastung zu verringern und so Stress-Shielding-Effekte zu minimieren. Gleichzeitig verbessern Oberflächenbeschichtungs- und Behandlungsmethoden die Biokompatibilität von Metalloberflächen, fördern so die Knochenintegration und verbessern die Leistung und langfristige Wirksamkeit von Implantaten.
Edelstahl wird hauptsächlich in der 3D-Drucktechnologie zur Herstellung von Knochenplatten und chirurgischen Werkzeugen verwendet und zeichnet sich durch hervorragende mechanische Festigkeit und starke Korrosionsbeständigkeit aus. Im Vergleich zu Titanlegierungen bieten Edelstahlmaterialien eine bessere Oberflächenglätte, da sie eine angemessene Biokompatibilität, eine hohe Zugfestigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul, günstige Herstellungskosten, Benutzerfreundlichkeit, Zähigkeit und eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Langfristiger Abbau und die Freisetzung von Legierungselementen können jedoch dazu führen, dass rostfreier Stahl möglicherweise Entzündungsreaktionen hervorruft. Die Freisetzung von Fe kann negative Auswirkungen auf Zellen haben. Für kurzfristige Implantate, Schrauben und chirurgische Geräte wird typischerweise Edelstahl verwendet.
Hervorragende Biokompatibilität, starke Korrosionsbeständigkeit, hohe Festigkeit und Elastizitätsmodul zeichnen die Tantallegierung aus. Tantallegierungen bringen jedoch gewisse Schwierigkeiten bei der additiven Fertigung mit sich, darunter hohe Kosten und Dichte sowie Probleme bei der Spannungsabschirmung-, d. h. ein höherer Elastizitätsmodul als Ti. Tantallegierungen eignen sich im Allgemeinen für die Verwendung als winzige Implantatkomponenten, poröse Implantate und Implantatbeschichtungen zur Verbesserung der Knochenintegrationseigenschaften. Klinisch wurde bei Verfahren zur Behandlung von Krampfadern an Gliedmaßen sowie Krampfadern an Hüfte und Wirbelsäule 3D-gedrucktes poröses Tantalmetall verwendet und eine gute Wirksamkeit nachgewiesen. Der 3D-Druck von porösem Tantalmetall hilft nicht nur bei der Entwicklung und Herstellung biomimetischer Knochen-Trabekelstrukturen, sondern weist auch eine gute Zelladhäsion und Biokompatibilität auf. Der Elastizitätsmodul und die Festigkeit dieses Materials sind mittlerweile an die örtlichen Gegebenheiten angepasst. Die postoperativen Auswirkungen auf die funktionelle Erholung sind gut und 3D--gedrucktes poröses Tantalmetall kann sich laut klinischen Studiendaten stark an Knochen binden.
Aufgrund ihrer geringen Dichte, ihres guten Verhältnisses von Festigkeit-zu-Gewicht und des Elastizitätsmoduls wie bei Knochen haben Magnesiumlegierungen großes Interesse im biologischen Bereich geweckt. Die in vivo abbauenden Eigenschaften der Magnesiumlegierung passen perfekt zu biologisch abbaubaren Metallen und eröffnen so neue Möglichkeiten für die Verwendung orthopädischer Implantate. Allerdings stellen die schnellen Abbaueigenschaften von Magnesiumlegierungen in vivo auch Schwierigkeiten dar, weshalb Forscher nach Möglichkeiten suchen, ihre Zerfallsgeschwindigkeit zu verlangsamen, um eine vollständige Absorption zu gewährleisten und die erforderliche Unterstützung bereitzustellen.
Im Bereich der Orthopädie hängen die langfristige Haltbarkeit von Implantaten und die Ergebnisse der Patientenrehabilitation direkt von der Biokompatibilität metallischer 3D-Druckmaterialien ab. Aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Biokompatibilität werden Titanlegierungen und Kobalt-Chromlegierungen beispielsweise häufig bei der Herstellung orthopädischer Implantate, einschließlich künstlicher Gelenke und Knochenplatten, eingesetzt. Probleme mit der Belastungsabschirmung können jedoch die Knochenqualität beeinträchtigen, was zum Versagen und zur Lockerung des Implantats führen würde. Durch den Einsatz poröser Architekturen und neuartiger Legierungsmaterialien kann die Stressabschirmung verringert, die Knochenintegration gefördert und die Langzeitstabilität des Implantats verbessert werden. Darüber hinaus verkürzen hoch biokompatible Materialien die Genesungszeit der Patienten und können dazu beitragen, Entzündungsreaktionen rund um Implantate zu minimieren, die Heilung und Regeneration des Gewebes zu fördern und deren Verwendung zu vereinfachen.
Gute Biokompatibilität und mechanische Eigenschaften sind Voraussetzungen für Zahnimplantate, um ihre langfristige Stabilität im Mundraum zu gewährleisten. Zu den gängigen Materialien, die bei Zahnimplantaten verwendet werden, gehören Titanlegierungen und Kobalt-Chrom-Legierungen, die beide eine starke Verbindung mit dem umgebenden Gewebe herstellen können, wodurch das Risiko einer Lockerung und Ablösung des Implantats verringert wird. Gleichzeitig können mithilfe der 3D-Drucktechnologie individuelle Zahnimplantate an den Mundzustand des Patienten angepasst werden, wodurch der Patientenkomfort erhöht und die Erfolgsquote der Implantation erhöht wird. Darüber hinaus kann die Verwendung von Materialien mit guter Biokompatibilität die Mundgesundheit der Patienten erhalten und das Auftreten oraler Entzündungen verringern.
Gute Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit sind Voraussetzungen für Herz-Kreislauf-Implantate, einschließlich Herzstents und Gefäßstents, um ihre langfristige Wirksamkeit in vivo zu gewährleisten. Der ausgezeichnete Formgedächtniseffekt und die Biokompatibilität von Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen machen sie bei der Herstellung von Herz-Kreislauf-Implantaten sehr gefragt. Dennoch könnte die Einführung von Nickelionen in die menschliche Umgebung einige Fragen aufwerfen. Mittels 3D-Druck und Oberflächenkompositbehandlung kann die Herstellung einer porösen Nickel-Titan-Legierung dazu beitragen, die Freisetzung von Nickelionen zu verringern und die Biokompatibilität des Materials zu verbessern. Darüber hinaus steigert die Verbesserung der Lebensqualität der Patienten die Bildung von Blutgerinnseln und die Restenose von Blutgefäßen, die durch gut-biokompatible Herz-Kreislauf-Implantate ermöglicht werden.
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