Perché la post-lavorazione della stampa 3D in metallo nel settore medico richiede un trattamento termico?

1. Eliminare lo stress residuo: prevenire il fallimento e la distorsione dell'impianto
La stampa 3D dei metalli, come la fusione selettiva laser (SLM), realizza stampi fondendo la polvere metallica strato dopo strato. Tuttavia, il riscaldamento e il raffreddamento del materiale troppo rapidamente potrebbero lasciare stress al suo interno. Se questo stress non viene rilasciato abbastanza rapidamente, potrebbe portare ai seguenti problemi:
Deformazione e screpolature: se lo stress residuo è superiore alla resistenza allo snervamento del materiale, l'impianto può cambiare forma in modo permanente o addirittura rompersi entro le prime settimane di utilizzo nel corpo. Ad esempio, se la coppa acetabolare in lega di titanio è molto sollecitata, questa potrebbe spostarsi durante il recupero del paziente dall'intervento chirurgico a causa del rilascio dello stress, il che potrebbe significare che il paziente necessita di un secondo intervento chirurgico.
Diminuzione della precisione dimensionale: la deformazione indotta dallo stress- può compromettere la compatibilità tra l'impianto e il tessuto umano. Per gli impianti dentali, ad esempio, la precisione della filettatura deve essere mantenuta entro un micrometro e lo stress residuo potrebbe causare la modifica della forma della filettatura, compromettendo la stabilità iniziale dell'osso alveolare.
Vita a fatica ridotta: gli impianti hanno maggiori probabilità di rompersi sotto stress ciclico. Gli studi indicano che la durata a fatica a basso numero di cicli dei supporti in lega di cobalto-cromo stampati in 3D, in assenza di trattamento termico, è ridotta di oltre il 40% rispetto ai componenti forgiati convenzionali.
La riduzione dello stress è possibile attraverso processi di trattamento termico come la ricottura sotto vuoto. In questo processo, l'impianto viene riscaldato alla giusta temperatura (di solito al di sotto della temperatura di ricristallizzazione), mantenuto per un po' e poi lentamente raffreddato in modo che i grani interni del materiale possano riprendersi e ricristallizzarsi, alleviando lo stress. Ad esempio, la ricottura sotto vuoto a 650 gradi riduce lo stress residuo degli impianti ortopedici in lega di titanio stampati in 3D di oltre l’80% e migliora notevolmente la loro stabilità strutturale.
2. Migliorare la microstruttura: renderla più forte e più compatibile con gli esseri viventi
La rapida solidificazione della stampa 3D in metallo può facilmente causare una microstruttura irregolare, come cristalli colonnari, fasi metastabili e porosità. Ciò può far sì che gli impianti funzionino meno bene nel complesso.
Deterioramento delle proprietà meccaniche: la struttura cristallina colonnare può portare all'anisotropia, rendendo gli impianti molto più resistenti in alcune direzioni rispetto ad altre. Se lo stent vascolare in lega di nichel titanio stampato in 3D ha cristalli colonnari ruvidi, ad esempio, la sua forza di supporto radiale può essere inferiore del 30% rispetto a quella del tessuto cristallino omogeneo equiassico.
Elevata porosità: quando le particelle di polvere non si fondono completamente durante la stampa, creano micropori, che rendono il materiale meno denso. Se la porosità è superiore all'1%, la resistenza alla fatica dell'impianto può diminuire di oltre il 50% e il pericolo di corrosione può aumentare.
Rischio di biocompatibilità: le fasi instabili, come la martensite, possono rilasciare ioni tossici e causare infiammazioni. Ad esempio, se è rimasta molta martensite nelle leghe di cobalto-cromo stampate in 3D, l’emissione di ioni nichel potrebbe essere più del normale, il che potrebbe causare allergie nei tessuti vicini.
Controllando la temperatura e la durata, il trattamento termico ottimizza la microstruttura:
Ricottura: trasforma i cristalli colonnari in cristalli equiassici ed elimina le fasi metastabili. Ad esempio, dopo la ricottura a 750 gradi, la dimensione del grano della lega di titanio stampata in 3D- viene raffinata a meno di 10 μm e l'anisotropia è molto ridotta.
Pressatura isostatica a caldo (HIP): eliminazione dei pori interni a temperature e pressioni elevate (tipicamente 100–200 MPa) per ottenere una densità del materiale vicina al 100%. Gli studi indicano che il trattamento HIP può ridurre la porosità delle leghe di cobalto-cromo stampate in 3D dallo 0,8% allo 0,02% e aumentare la resistenza alla fatica di tre volte.
Soluzione solida più invecchiamento: per i materiali a memoria di forma come le leghe di nichel titanio, il trattamento in soluzione solida dissolve le fasi dannose, mentre il trattamento di invecchiamento fa precipitare le fasi di rafforzamento. Questo bilancia la forza con la superelasticità. Ad esempio, la forza di supporto radiale degli stent vascolari in lega di nichel titanio stampati in 3D è aumentata del 20% dopo il trattamento con soluzione solida a 500 gradi e l’invecchiamento a 400 gradi. Anche il tasso di recupero dei moduli è salito a oltre il 99%.
3. Soddisfare le esigenze cliniche: una doppia garanzia di personalizzazione e funzionalizzazione
Gli impianti medici devono essere adattati alla struttura anatomica del paziente soddisfacendo al tempo stesso criteri funzionali specifici, come l'integrazione ossea e il rilascio del farmaco. Il trattamento termico aiuta con le applicazioni cliniche nei seguenti modi:
La combinazione del trattamento termico con altri metodi di trattamento superficiale come la sabbiatura e la mordenzatura con acido può rendere la superficie degli impianti più ruvida e aiutare le cellule ossee ad aderire meglio ad essi. Ad esempio, dopo essere state ricotte e sabbiate, la ruvidità superficiale (Ra) delle articolazioni dell’anca in lega di titanio stampate in 3D è di 3-5 μm e la velocità con cui le ossa si integrano è del 40% più veloce rispetto alle superfici lisce.
La stampa 3D può realizzare strutture porose con porosità dal 30% all’80% e dimensioni dei pori da 100 a 1000 μm, che è simile a come funzionano le trabecole ossee naturali. Il trattamento termico garantisce che la struttura rimanga stabile eliminando la concentrazione dello stress nei luoghi porosi. Ad esempio, dopo il trattamento HIP, i dispositivi di fusione intersomatica in lega di titanio porosa possono sopportare carichi superiori a 100 MPa, che è ciò che è necessario per l’uso clinico.
Supporto per il caricamento dei farmaci: gli impianti di riscaldamento possono modificare le caratteristiche chimiche delle loro superfici, dando ai rivestimenti dei farmaci punti in cui aderire. Ad esempio, uno strato di ossido di magnesio si forma sulla superficie di uno stent vascolare in lega di magnesio stampato in 3D-dopo la ricottura. Questo strato può contenere farmaci anti-proliferativi attraverso l'assorbimento fisico per ottenere un rilascio prolungato a livello locale.
4. Norme di settore e requisiti di certificazione: è richiesto il trattamento termico
Gli impianti medici devono essere certificati da gruppi rigorosi come FDA, CE e NMPA. Il trattamento termico è una parte importante del processo di certificazione:
Lo standard ISO 13485 afferma che i produttori di impianti devono tenere registrazioni dettagliate dell'intero processo di trattamento termico, comprese le curve di temperatura, il controllo dell'atmosfera e i dati dei test.
Lo standard ASTM F3001 afferma che la temperatura di ricottura per gli impianti in lega di titanio stampati in 3D dovrebbe essere mantenuta tra 650 e 750 gradi per evitare che i grani diventino troppo grossolani.
Standard YY/T 0640: dopo il trattamento HIP, gli impianti in lega di cromo-cobalto devono avere una porosità non superiore allo 0,1% e nessuna catena continua di pori.