无定形金属用途广泛，因为它们具有特殊的特性。它们非常坚硬，但也非常有弹性。这应该是一个矛盾，但对于这些材料则不然。无定形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，这阻止了有序晶体结构的形成。结果是一种无定形、非结晶固体，其中原子保持在很大程度上无序状态。

除了出色的强度和弹性外，非晶态金属的异常结构也使其具有抗腐蚀和耐磨性。它们非常适合耐磨手术刀和微创手术器械等医疗应用。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，它们具有相似的弹性模量。这意味着它们不如其他材料刚性，因此能够更好地适应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制造医疗植入物的新合金。“锆基合金适用于医疗应用，”Heraeus Amloy 的创新经理 Eugen Milke 说。“我们已经拥有一种生物相容性锆合金——Amloy-ZR02——它通过了 ISO 10993-5 和 ISO 10993-12 认证。”

Milke 表示，医疗领域对钛合金也有需求：“钛是一种经过验证的医疗部件材料，例如骨植入物和人工心脏起搏器，因此我们现在也在研究钛合金。”

开发团队正在使用增材制造工艺来生产实际组件。Heraeus Amloy 为此专门修改了 Amloy-ZR02 的成分。在与通快激光专家的一个联合项目中，该公司正在研究使用 TruPrint 2000 3D 打印机来工业化生产由非晶态金属制成的部件。

创新工艺遇上创新材料

3D 打印机和新的轻质材料构成了一个完美的团队。激光仅在制造零件需要的地方创建结构。这节省了材料和重量，即使是在大型复杂组件的情况下也是如此。该过程只有低热量输入，这是非晶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的熔池。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。窄光束焦点还能够生产具有高表面质量和细节程度的复杂结构。

通快增材制造董事总经理 Klaus Parey 充满信心：“非晶金属为众多行业提供了巨大的潜力。它们特别适用于医疗工程，这是增材制造最重要的领域之一。因此，我们相信此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 的负责人 Jürgen Wachter 表示同意：“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。与诊所密切合作，将有可能使用 3D 打印机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

为了实现这一愿景，两家合作伙伴已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、交通、创新和技术部 (BMK)、奥地利联邦数字和经济事务部 (BMDW) 资助Steierische Wirtschaftsf?rderungsgesellschaft (SFG)，奥地利施蒂里亚联邦州的商业发展机构。CAMed 正在研究为个别患者定制的植入物的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外，该项目还专注于新材料和生产方法。 

具体来说，这意味着使用 3D 打印机生产肋骨植入物和定制的板植入物，用于治疗身体伤害。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种植体可用。因此，对于身体损伤或肿瘤后的损伤，需要即兴发挥。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，这仍然牢固地依附；有时不那么。这是因为植入物受到恒定应变。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固定在胸骨上的松动，因此需要进一步干预。目前，别无选择。

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。用于固定肱骨的骨板植入物就是这种情况，肱骨是上臂的骨头，传统植入物很快就会遇到它们的局限性。

相比之下，3D 打印可以提供由非晶材料制成的定制植入物，这些材料具有所需的强度，但也足够灵活，可以承受和缓冲必要的运动。同时，增材制造工艺还可以产生多孔的表面纹理，促使骨组织在植入物中扎根。如果需要光滑的表面，以便于以后取出植入物，这种方法也可以产生一微米的表面质量，而无需任何修整。这比大多数其他材料要好。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。

几乎像人骨

作为 CAMed 项目的一部分，Heraeus 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，比通常用于医疗植入物的钛合金更重。然而，使用增材制造工艺提供的设计自由意味着需要更少的材料，从而使重量减轻多达 20%。同样，2,000 MPa 的抗弯强度和 1,700 MPa 的拉伸强度意味着植入物可以做得比平时更薄。此外，它的弹性模量为 85 GPa，比钛更接近人体骨骼 (17-21 GPa)。如果目标是柔韧性和强度的结合，那么新的 AMLOY 合金是制造板植入物的理想选择，因为它们可以做得比钛更薄。这也促进了愈合过程。

全新的应用

CAMed 项目的初步结果非常有希望。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现实的前景。其他应用，如假体植入物和心脏瓣膜也是一种可能性。凭借其卓越的特性，非晶态金属用途极为广泛，并将实现众多新应用，尤其是在医学工程领域。