¿Por qué el pos-procesamiento de la impresión 3D de metal en la industria médica requiere tratamiento térmico?

1. Deshacerse del estrés residual: prevenir el fallo y la distorsión del implante
La impresión 3D de metal, al igual que la fusión selectiva por láser (SLM), fabrica moldes fundiendo polvo de metal capa por capa. Sin embargo, calentar y enfriar el material demasiado rápido podría generar tensión en su interior. Si este estrés no se libera lo suficientemente rápido, podría provocar los siguientes problemas:
Deformación y agrietamiento: si la tensión residual es mayor que el límite elástico del material, el implante puede cambiar de forma permanentemente o incluso romperse dentro de las primeras semanas de uso en el cuerpo. Por ejemplo, si hay mucha tensión en la copa acetabular de aleación de titanio, podría moverse durante la recuperación del paciente de la cirugía debido a la liberación de tensión, lo que podría significar que el paciente necesite una segunda cirugía.
Disminución de la precisión dimensional: la deformación inducida por el estrés-puede afectar la compatibilidad entre el implante y el tejido humano. Para los implantes dentales, por ejemplo, la precisión de la rosca debe mantenerse dentro de un micrómetro, y la tensión residual podría hacer que la rosca cambie de forma, lo que puede comprometer la estabilidad inicial del hueso alveolar.
Vida de fatiga más corta: los implantes tienen más probabilidades de romperse bajo ciclos de estrés. Los estudios indican que la vida útil de fatiga de ciclo bajo de los soportes de aleación de cromo cobalto impresos en 3D, en ausencia de tratamiento térmico, se reduce en más de un 40 % en comparación con los componentes forjados convencionales.
El alivio de tensiones es posible mediante procesos de tratamiento térmico como el recocido al vacío. En este proceso, el implante se calienta a la temperatura adecuada (normalmente por debajo de la temperatura de recristalización), se mantiene durante un tiempo y luego se enfría lentamente para que los granos internos del material puedan recuperarse y recristalizarse, lo que alivia la tensión. Por ejemplo, el recocido al vacío a 650 grados reduce la tensión residual de los implantes ortopédicos de aleación de titanio impresos en 3D en más de un 80 % y mejora enormemente su estabilidad estructural.
2. Mejorar la microestructura: hacerla más fuerte y más compatible con los seres vivos
La rápida solidificación de la impresión 3D de metal puede provocar fácilmente una microestructura desigual, como cristales columnares, fases metaestables y porosidad. Esto puede hacer que los implantes funcionen peor en general.
Deterioro de las propiedades mecánicas: la estructura cristalina columnar puede provocar anisotropía, lo que hace que los implantes sean mucho más fuertes en algunas direcciones que en otras. Si el stent vascular de aleación de níquel-titanio impreso en 3D tiene cristales columnares rugosos, por ejemplo, su fuerza de soporte radial puede ser un 30% menor que la del tejido cristalino equiaxial homogéneo.
Alta porosidad: cuando las partículas de polvo no se fusionan completamente durante la impresión, crean microporos, lo que hace que el material sea menos denso. Si la porosidad es superior al 1%, la resistencia a la fatiga del implante puede disminuir en más del 50% y el peligro de corrosión puede aumentar.
Riesgo de biocompatibilidad: las fases inestables, como la martensita, pueden liberar iones tóxicos y provocar inflamación. Por ejemplo, si queda mucha martensita en las aleaciones de cromo cobalto impresas en 3D, la emisión de iones de níquel puede ser mayor de lo normal, lo que podría provocar alergias en los tejidos cercanos.
Controlando la temperatura y la duración, el tratamiento térmico optimiza la microestructura:
Recocido: convierte los cristales columnares en cristales equiaxiales y elimina las fases metaestables. Por ejemplo, después del recocido a 750 grados, el tamaño del grano de la aleación de titanio impresa en 3D-se refina a menos de 10 μm y la anisotropía se reduce mucho.
Prensado isostático en caliente (HIP): eliminación de los poros internos a altas temperaturas y presiones (normalmente entre 100 y 200 MPa) para obtener una densidad del material cercana al 100 %. Los estudios indican que el tratamiento HIP puede disminuir la porosidad de las aleaciones de cromo cobalto impresas en 3D del 0,8% al 0,02% y mejorar tres veces la vida útil de la fatiga.
Solución sólida más envejecimiento: para materiales con memoria de forma como las aleaciones de níquel y titanio, el tratamiento con solución sólida disuelve las fases perjudiciales, mientras que el tratamiento de envejecimiento precipita las fases de fortalecimiento. Esto equilibra la fuerza con la superelasticidad. Por ejemplo, la fuerza de soporte radial de los stents vasculares de aleación de níquel y titanio impresos en 3D aumentó en un 20 % después del tratamiento con solución sólida a 500 grados y el envejecimiento a 400 grados. La tasa de recuperación de formularios también aumentó a más del 99%.
3. Satisfacer las necesidades clínicas: doble garantía de personalización y funcionalización
Los implantes médicos deben adaptarse a la estructura anatómica del paciente y al mismo tiempo cumplir criterios funcionales específicos, como la integración ósea y la liberación de fármacos. El tratamiento térmico ayuda con las aplicaciones clínicas de las siguientes maneras:
La combinación del tratamiento térmico con otros métodos de tratamiento de superficies, como el chorro de arena y el grabado ácido, puede hacer que la superficie de los implantes sea más rugosa y ayudar a que las células óseas se adhieran mejor a ellos. Por ejemplo, después de ser recocidas y pulidas con chorro de arena, la rugosidad de la superficie (Ra) de las articulaciones de cadera de aleación de titanio impresas en 3D es de 3 a 5 μm, y la velocidad a la que los huesos se integran es un 40% más rápida que en superficies lisas.
La impresión 3D puede crear estructuras porosas con una porosidad del 30 % al 80 % y tamaños de poro de 100 a 1000 μm, lo cual es similar a cómo funcionan las trabéculas óseas naturales. El tratamiento térmico asegura que la estructura se mantenga estable al eliminar la concentración de tensiones en lugares porosos. Por ejemplo, después del tratamiento HIP, los dispositivos de fusión intersomática de aleación de titanio poroso pueden soportar cargas superiores a 100 MPa, que es lo que se necesita para el uso clínico.
Soporte para la carga de medicamentos: los implantes calefactores pueden cambiar las características químicas de sus superficies, dando a los recubrimientos de medicamentos lugares donde adherirse. Por ejemplo, se forma una capa de óxido de magnesio en la superficie de un stent vascular de aleación de magnesio impreso en 3D-después del recocido. Esta capa puede contener medicamentos anti-proliferativos mediante adsorción física para lograr una liberación local sostenida.
4. Normas de la industria y requisitos de certificación: se requiere tratamiento térmico
Los implantes médicos deben estar certificados por grupos estrictos como la FDA, CE y NMPA. El tratamiento térmico es una parte importante del proceso de certificación:
La norma ISO 13485 dice que los fabricantes de implantes deben mantener registros detallados de todo el proceso de tratamiento térmico, incluidas las curvas de temperatura, el control de la atmósfera y los datos de las pruebas.
La norma ASTM F3001 dice que la temperatura de recocido para implantes de aleación de titanio impresos en 3D debe mantenerse entre 650 y 750 grados para evitar que los granos se vuelvan demasiado gruesos.
Estándar YY/T 0640: Después del tratamiento HIP, los implantes de aleación de cromo cobalto deben tener una porosidad no superior al 0,1 % y no deben tener cadenas de poros continuas.