Additive manufacturing of titanium alloys for biomedical applications: A systematic review

钛合金在生物医学应用中的增材制造：系统性综述

作者信息：

Yue Gao ^a b, Wentao Jiang ^a b, Da Zeng ^c, Xiongwei Liang ^c, Chaoli Ma ^a b, Wenlong Xiao ^a b *

a Tianmushan Laboratory, Beihang University, Hangzhou, 311115, China

b School of Materials Science and Engineering, Beihang University,Beijing, 100191, China

c Double Medical Technology Inc., Xiamen, 361026, China

https://doi.org/10.1016/j.revmat.2025.100011

文章介绍：

生物金属材料因其卓越的比强度、出色的耐腐蚀性、耐疲劳性和优异的生物相容性，在医学领域得到了广泛应用。随着医疗技术的不断进步和全球老龄化人口的增长，对生物金属材料的需求预计将急剧上升。代表性的实用金属生物材料大致可以分为三类：不锈钢、钴基合金和钛合金，占全球生物材料市场份额的约40%。尤其是钛合金，由于其高强度、优异的生物相容性、低密度和良好的加工性，广泛应用于骨科植入物。然而，传统钛合金（如纯钛、Ti-6Al-4V和Ti-6Al-7Nb）的功能性、生物相容性和使用寿命已逐渐显示出不足，无法满足现代临床应用的需求。这些材料的固有限制往往会导致并发症，包括由于机械性能不足而导致的植入物断裂，以及由于骨整合不良而导致的未愈合，给患者带来相当大的不适和困扰。为了缓解这些问题，具有改进机械性能的钛合金，能够与植入部位要求相匹配，并且增强骨整合，预计将在生物医学材料的进展中发挥至关重要的作用。

钛合金的生物医学应用一直是研究的重点，如图1a所示。Web of Science中“生物医学钛合金”的相关文献数量逐年稳步增加，彰显了这一领域日益增长的关注。然而，大多数钛合金仍采用传统机械加工方法生产，这种方法成本高，涉及复杂的冶炼和热机械过程，并且通常无法满足日益增长的个性化治疗需求。计算机辅助增材制造（AM）技术作为一种有前景的解决方案，已成为制造钛合金的重要手段，使得根据个体患者的特定需求定制和优化植入物成为可能。这种方法能够更加精确和高效地生产个性化医疗器械，为改善临床结果和提高患者满意度铺平了道路。自2012年以来，使用增材制造技术制造生物医学钛合金的研究逐渐兴起，突显了其可持续发展的重要性和潜力。根据2024年11月的世界知识产权组织（WIPO）数据（如图1b所示），美国和欧洲的国家在生物医学钛合金相关专利数量上占据主导地位，其中大量专利集中在增材制造技术上。相比之下，亚洲国家的专利数量相对较低。

本文对增材制造（AM）技术在生物医学钛合金中的特性、应用和进展进行了全面的综述。重点讨论了固化特性、缺陷生成、微观结构演变以及后处理对生物医学钛合金性能的影响。此外，文章还讨论了生物医学标准的现状以及通过增材制造生产的钛合金的临床应用。进一步地，文章强调了增材制造技术在生物医学钛合金开发和应用中的新兴趋势、挑战及未来方向，提供了有关该领域潜在创新和改进的见解。

中文摘要：
本文对通过增材制造（AM）技术制造的生物医学钛合金进行了系统的综述。文章首先概述了钛金属的发展及其在生物医学领域，特别是在骨科和牙科植入物中的应用。综述突出了近期的进展，例如多孔结构的引入。文章探讨了生物医学钛合金增材制造的关键方面，包括材料特性、制备参数、固化行为和后热处理，重点分析了它们对微观结构和材料性能的影响。本文还总结了当前生物医学钛合金的标准现状，并以讨论增材制造生物医学钛合金的未来趋势、机遇和挑战作为结尾，包括材料创新、工艺优化以及个性化植入物整合方面的进展。本综述旨在为增材制造生物医学钛合金的持续发展和未来方向提供宝贵的见解。