金属注射成型在医疗器械中的应用

手术工具、生物材料和医疗器械的金属注射成型：综述

1. 引言

生物材料和医用植入物的研究正变得越来越重要，因为老龄化人口的预期寿命在不断提高。早在4000年前，埃及人和罗马人就使用亚麻作为缝合线，用金和铁片进行牙科应用，用木材进行脚趾替代[1]。如今，由于我们对不同材料生物相容性的理解大大提升，以及医学和工程学的不断进步，生物材料和植入物的选择已转向更具生物相容性和/或仿生性的选项。合适的生物材料的选择在很大程度上取决于具体应用、对植入材料在体内性能的期望和要求。一般来说，聚合物材料是软组织工程的首选候选材料，而金属材料则更适合承重应用。特别是，生物相容性金属材料在当今医疗行业中作为骨科植入物、医疗器械以及手术工具得到了广泛应用。由先进制造技术实现的新型生物相容性金属合金和仿生金属植入物设计是当前该领域的研究重点。

随着具有微纳尺度特征的新型医疗器械和手术工具的开发，临床手术现在能够以更高的精度和安全性进行，并可同时监测生理和生物力学参数[2]。这些器械通常由特定的金属材料制造而成，例如不锈钢、钛和钴合金，主要得益于其机械强度、生物相容性和可制造性。然而，由于几何复杂性或钛合金切削加工性低，此类器械和工具的制造可能面临制造挑战。为应对这些制造挑战，多年来已开发出一些用于金属生物材料和器械的先进技术。

金属注射成型（MIM）便是此类开发之一。该工艺结合了粉末冶金中最具价值的制造特性，如低成本、设计简单、材料选择灵活以及低成本原材料，以及塑料注塑成型的设计自由度和快速生产等优势，为小型复杂零件（大多数情况下最大尺寸为< 100 mm）提供了一种经济型制造技术[3]。如图1[3, 4]所示，MIM特别适用于大规模生产。显然，MIM是一种非常适合制造高度复杂部件的制造技术，数量方面，就复杂性而言，增材制造是唯一一种能够比金属注射成型制造出更复杂零件的常用技术。

MIM技术在国防部门、消费品、体育、通信设备、汽车、手动和电动工具以及全球医疗领域获得了广泛的应用。事实上，零件的几何结构越复杂，通过MIM技术进行制造的理由就越充分。因此，MIM技术在制造用于外科手术的器械和可重复使用工具以及植入物方面的新兴应用，在广阔的医疗领域中正发挥着越来越重要的作用。

本研究综述了MIM技术在医疗相关工具、器械和植入物制造中的应用最新进展。综述首先概述了MIM技术，包括其在制造医疗器械方面的优势。接着讨论了MIM技术在多种生物医学工具和植入物中的应用发展。随后介绍了MIM技术在不锈钢、钛、铁和镁等不同金属生物材料应用中的最新趋势。最后，本文总结了MIM技术在医疗器械制造领域的新兴研究及未来发展方向。

2. 生物医学材料金属注射成型的粉末表征

成功实施MIM工艺的第一步是选择合适的金属粉末。粉末选择时需考虑诸多参数，如价格、可用性和对MIM的适用性。虽然经济因素对于MIM作为制造技术的成功应用极为重要，但对于生物医学植入物和器械而言，由于产品敏感性高，粉末的纯度和性能比经济因素更为重要。用于生物材料和医疗器械MIM的理想粉末应具备某些特定特性[6, 7]：

• 高纯度 ；由于少量杂质可能对金属的性能和生物相容性产生负面影响，因此在生物材料和医疗器械的金属注射成型中使用高纯度金属粉末至关重要。
• 粒径和分布 ；对于金属注射成型（MIM），优选较小的粒径和更窄的分布，推荐的粉末粒径为不锈钢小于22μm且d90< 22μm，钛及其合金为45μm且d90< 45 μm。
• 球形 ；球形粉末可实现最佳的MIM性能，因其能够提供更低的粘结剂比例、更高的堆积密度、更好的流动性、更小的烧结收缩以及更低的尺寸不稳定性。
• 无孔隙颗粒 ；具有内部孔隙的颗粒会影响MIM产品的烧结性能，导致力学性能不佳。
• 高堆积密度 ；以提高粉末装载量（金属粉末与粘结剂的比例）。

3. 金属注射成形工艺

典型的MIM工艺包括四个主要步骤：喂料制备、注塑成型、脱脂和烧结，如图2所示。对于许多金属注射成形零件而言，通常需要将整形作为第五步，以达到比MIM工艺本身所能提供的更严格的尺寸公差（即 ± 0.03‐0.05%），但并非所有设计和应用都需要。此外，可能还需要额外的二次金属加工工艺，如热等静压（HIP）、焊接、机械加工、热处理或清洗，以消除缺陷，并优化特定金属注射成形零件的性能和几何形状。

3.1 喂料制备：

为了制备喂料，将细金属粉末（≤ 45 μm）与粘结剂混合，该粘结剂通常由多种不同的聚合物材料组成。这种喂料在高于 150°C的温度下呈流体状态，可使用常规塑料注射成形机制造所需部件[3]。选择合适的粘结剂体系对MIM工艺的成功至关重要。粘结剂体系在与金属粉末充分混合后应具备足够的流动性，并在脱脂过程后残留最少的氧和碳残留。理想的粘结剂特性应具备[3, 8]：

• 与金属粉末的良好结合；
• 低熔点（例如 < 180 °C），适用于注塑成型过程；
• 尺寸稳定性；
• 在热脱脂后完全分解且残留物少；
• 在热脱脂阶段与金属粉末无反应；
• 具有良好的生坯强度，适合运输至烧结炉；以及
• 环境友好

没有任何一种聚合物材料能够满足上述所有标准。因此，需要将不同的聚合物混合以制备合适的粘结剂体系。多年来，已针对不同金属材料的金属注射成型（MIM）定制了大量粘结剂系统[8‐16]。尽管大多数粘结剂体系的主要成分基于蜡类，如石蜡和巴西棕榈蜡，但为了制造生物医学植入物和器械，已开发出基于水溶性聚合物（如聚乙二醇（PEG））的特定粘结剂体系，以减少毒理学方面的担忧[12, 15, 17]。表1列出了几种用于金属生物材料MIM的常见粘结剂系统。尽管对于钛和不锈钢（作为最重要的生物材料）已有许多常见的粘结剂被提出，但由于钛与氧、碳和氮的反应速率更高，因此钛用粘结剂的选择更为关键。在这方面，建议使用含氧量较少且分解温度较低的粘结剂（如聚乙烯和聚丙烯）用于钛[18, 19]。

选定的粘结剂和金属粉末随后在略高于粘结剂熔点的温度下进行混合和捏合（通常在 140‐170°C范围内）。固体装载量（指金属粉末与粘结剂的比例）应选择适当，以确保良好的流动性，同时尽量减少粘结剂的使用。在混合过程结束时，粘结剂应形成一层薄层，覆盖每一个单独的金属粉末颗粒，从而使喂料具有良好的流动性[3]。因此，建议使用高剪切混合器，如西格玛或Z型叶片捏合机。对于活性金属（如钛），混合过程应在保护性环境中进行，以防止氧化。喂料制备的最后一步是将混合物造粒成小于 3.0毫米的小颗粒，以便于顺利进行注塑成型。

3.2 注塑成型

大多数传统的塑料注射成形机也可用于金属注射成形工艺。然而，注塑机的筒体和螺杆表面需要特殊硬化处理，并且在模具和工具的选择上，包括浇口和流道系统的设计，仍需根据零件几何形状和喂料材料的特性进行详细考虑。应合理选择注塑成型参数，如注射速度、温度和压力以及模温和锁模压力，以确保模具充分填充，同时防止金属粉末与粘结剂发生分离。大多数情况下需要通过反复试验进行调整，也常对模具以及浇口和流道系统进行优化。但通常注射过程的工艺参数为：喷嘴温度120‐180 °C，模具温度30‐120 °C，注射速度20‐60 mm/s，注射压力70‐100 MPa [18, 31]。

3.3 脱脂过程

如前所述，脱脂过程包括溶剂脱脂和热脱脂两个步骤。首先通过溶剂脱脂过程去除主粘结剂组分，该组分通常是蜡基（如石蜡）或水基（例如聚乙二醇，PEG）聚合物。在此步骤中，需要从部件中去除超过95%的主粘结剂。主粘结剂去除后在样品中留下的孔隙率，有助于在随后的热脱脂阶段去除剩余的粘结剂。在此阶段，将生坯加热至 500‐650°C的温度范围，该温度高于剩余粘结剂的分解温度。热脱脂的时间和温度通常分别在30‐120分钟和400‐600°C之间。然而，如果采用

3.4 烧结

烧结阶段对最终产品的质量和力学性能有显著影响。对于MIM制造的不锈钢零件，烧结通常在中等真空（< 10-3 mbar）或氩气气氛下进行，温度范围为1100‐1250°C，保温时间为1‐3小时。MIM制造的钛零件的烧结则有所不同，合适的温度、保温时间、真空度和基底材料的选择至关重要[19]。MIM制造的Ti样品通常在较高温度（1200‐1400 °C）下烧结较长时间（2‐6小时）。建议采用高真空（<10-5mbar）或高纯氩气气氛。然而，最佳烧结周期取决于粉末特性、合金化方法（预合金化或混合元素粉末）以及对最终期望密度、显微组织和杂质水平的要求。例如，对于需要无孔显微组织的零件，建议采用较低烧结温度（<1250°C）和较短烧结时间（< 3 h），随后进行热等静压的二次步骤[19]。然而，在未使用HIP的情况下，由于使用了细粉，只要烧结得当，烧结密度很容易超过理论密度的97%。

4. MIM在生物医学行业应用的历史

金属注射成形工艺相较于粉末冶金、铸造和锻造等传统制造方法是一种相对较新的技术。在其早期

20世纪20年代发展以来，该技术首先被应用于陶瓷部件的制造（称为粉末注射成型），随后扩展到汽车和枪械零件的制造 [32]。MIM工艺随后在电子行业中展现出其适用性，用于制造小型且复杂的手机和笔记本电脑部件，而这些部件传统上是通过压铸工艺生产的。由于生物医学部件具有较高的几何复杂性，促使科学家和制造商将MIM视为一种可靠且突出的替代制造技术。因此，自21世纪初以来，开展了大量关于MIM工艺在医用植入物和器械制造中应用的研发活动。在这方面，已发表了大量文章并申请了多项专利。这些研究工作主要集中于MIM工艺在多种生物相容性材料制造中的应用，特别是不锈钢、钛、钴铬钼合金、镁和铁合金。

表2总结了该领域内专利和重要出版物的示例。如表所示，金属注射成型已证实其在制造多种生物医学植入物、器械和工具方面的适用性。

5. 全球金属注射成型市场现状

MIM行业作为金属部件的先进制造领域（继增材制造[39]之后），在过去几十年中取得了显著成功。该技术现已被视为多种行业的成熟高产量制造技术。尽管中国在 MIM市场中占据最大的增长份额，北美、欧洲和日本也已获得发展势头[39]。如今， MIM被用于制造适用于汽车、消费电子和医疗器械等多个行业的小型至中型复杂部件。

对于医疗行业，MIM技术已被用于制造多种植入物和器械，例如：金属正畸托槽、关节置换手术器械、植入物以及多种医疗相关设备和手术工具。如图4所示，这些市场在过去几年中经历了健康增长，部分推动了整体MIM市场的强劲发展。然而，MIM技术在医疗行业的应用仍处于成功发展的初期阶段，未来几年有望取得更大进展，特别是在几何结构复杂的生物医学部件以及多孔植入物的制造方面。

在接下来的章节中，将回顾MIM在制造不同生物医学器械、植入物和工具方面的高要求应用。

6. MIM在生物材料和生物医学器械中的应用

随着医疗制造领域的材料和人工成本不断上升，降低部件的制造成本对于控制整体成本问题变得愈发重要。MIM适用于大量用于医疗应用的材料，例如不锈钢 [36, 40‐42],钛合金 [3, 43, 44],钴铬合金 [45] ，以及可降解金属如铁 [46],锌和镁合金 [38]。通过减少材料浪费和机械加工工艺，MIM可在这些部件的大批量生产中显著降低制造成本。利用MIM制造复杂医用部件的一个绝佳示例是骨组织工程支架。此类支架的构想在于模拟人骨的多孔且可渗透的层级结构，并通过多孔结构在体内提供组织支撑。结合使用临时空间保持剂的MIM技术，可制造出具有可控孔隙率和高孔隙连通性的多孔人工骨支架 [22, 47‐49]。

已开展大量研发活动，以提升MIM技术在制造各类医疗器械和工具方面的能力。典型示例包括金属正畸托槽、手术工具和器械、微型抓钳、剪刀和缝合装置、药物输送装置、外科植入物、助听器、牙科设备和植入物，以及关节置换体。以下将讨论若干精选示例。

6.1 医疗相关设备

早期在医疗行业中，金属注射成型（MIM）的应用涉及制造大量用于医疗相关设备和附件的小型且几何结构复杂的部件，例如手术器械、轮椅部件、病床配件、X射线和磁共振成像设备部件以及医院自动化设备。图5展示了一些常见的（手术手动工具）以及最新采用MIM制造的医疗相关工具和设备。这些实例突显了该技术在制造复杂医疗部件方面的成功应用，这些部件的重量远超MIM普遍接受的上限（即<50g）。

6.2 微创手术（MIS）工具

MIM可用于制造许多小型且几何结构复杂的微创手术器械，如腹腔镜和内窥镜钳口、抓钳、剪刀、切割和缝合工具[50]。这些器械通常由不同牌号的不锈钢制成，因其具有足够的强度和硬度、出色的耐腐蚀性以及易于灭菌的特点。这些手术工具中的许多传统上是通过计算机数控（CNC）对锻件毛坯进行机械加工制造的，这是一种成本较高的工艺。事实上，已有许多尝试用于降低加工成本，例如在不锈钢中添加硫以提高其切削加工性，适用于大批量生产。如今，微创手术器械正在寻求新的设计思路，以使开放手术能够被微创手术所取代。这类新设计使得部件的几何形状更加复杂。对于此类小型且几何结构复杂的工具，传统加工方法已无法实现其制造。

而金属增材制造成本仍然较高。因此，MIM技术为这些部件的经济实惠制造提供了一条重要（如果不是唯一）的途径（图6）。

6.3 通用手术工具

MIM能够制造多种通用手术工具，如手术刀柄、剪钳、镊子和器械机构零件。虽然这些零件传统上通过锻造和机械加工工艺制造，但MIM提供了一种更优且更经济实惠的制造途径。如今，许多此类手术工具已采用不锈钢和钛合金的MIM工艺进行制造。例如，已成功通过MIM工艺制造出外科镊子。如图7所示，产品长度为~30mm，具有许多其他方法难以制造的精细结构。生产中使用了工业纯钛和17‐4PH不锈钢。图4b显示了烧结产品的扫描电子显微镜（SEM）显微照片，表明零件的精细结构被成功复制。该镊子表现出良好的生物相容性和耐腐蚀性，确保其作为手术工具的应用。

图8还展示了使用不锈钢MIM工艺商业制造的正畸漱口装置中几何形状复杂的零件的另一个示例。

MIM还具备为一些先进手术工具制造大尺寸且几何形状复杂部件的能力。例如，图9展示了使用17‐4HP不锈钢MIM工艺最近制造出的切割块，其形状非常复杂且细节丰富，壁厚不均匀，整体尺寸较大（近450克）。这些切割块用于先进的膝关节置换手术器械中。此类高难度医疗部件通过MIM制造，相较于传统制造方法预计可实现60%的成本降低，证明了MIM在制造众多复杂医用手术工具和器械方面的适用性。

6.4 骨科手术

另一类潜在的MIM候选产品是用于小骨骨折固定、重建或关节融合的创伤板、刀片、螺杆和固定装置，包括前足、中足和后足部位的小骨。这些部件通常通过数控加工不锈钢或钛合金制成，而MIM技术可能是更优的制造方法。例如，近期印度MIM公司采用17‐4PH不锈钢通过MIM技术成功制造了用于脊柱手术过程中的牵开器刀片和环组（图10）。该部件传统上需通过大量多轴数控加工以及对锻制不锈钢棒进行线切割放电加工才能实现复杂的细节结构。而采用MIM技术在不牺牲产品质量或功能的前提下，显著降低了制造成本。

6.5 正畸

医疗领域中MIM技术最早的主要应用领域，同时也是该行业目前最主要的产品，是正畸托槽和钩子的制造。316L不锈钢是制造这些极小精密零件的主要材料，但MIM技术也被用于更经济地从不锈钢（图11）以及钛合金[51‐53]制造这些部件。一系列牙科手术工具也可通过MIM技术经济地制造。例如，安等人[54]报道了通过316L不锈钢粉末的MIM技术制造超声根管器械和洁牙尖。

MIM具有制造牙科植入物的潜力，因为这些部件具有高度复杂的几何形状和质量要求。多项研究已证实了MIM工艺在制造不锈钢[55],钛[52]和镁[38]植入物方面的潜力。例如，费雷拉等人[55]成功开发出一种工艺，能够使用316L不锈钢和聚烯烃蜡作为粘结剂，注塑成型具有微细结构的复杂3D牙科植入物，旨在提高生物相容性并降低牙科植入物的成本（图12）。为此，他们在模具的微腔表面涂覆了二硫化物（W‐S‐C）。这种涂层使得脱模步骤中将零件从模具中分离所需的作用力减少了约50%。

微模具表面。因此，它提高了最终产品螺纹（图12b）和植入物顶部（图12C）的表面质量。

6.6 药物递送设备

研究已证实金属注射成型（MIM）在制造用于药物递送的微针方面具有成功应用。中空或多孔微针阵列（MAs）是优异的无痛透皮药物递送装置，具有低皮肤创伤和降低感染风险的特点[56]。固体微针阵列传统上通过光刻和蚀刻、微成型、微机械加工或激光切割等不同技术生产。此类固体微针阵列只能向体内提供有限剂量的药物。因此，用单通道中空针替代固体微针可带来显著优势，因其可通过孔道持续将药物输送至皮肤，实现无限量给药。然而，此类中空针的制造仅能通过非常复杂且高成本的技术实现。在这方面，具有大量随机分布且相互连通孔隙的多孔微针相比单通道针是一个更优的选择。在这些微针中，药物可储存在孔隙中，并从微针基质扩散到皮肤，而相互

连通的孔隙可确保药物的持续递送。MIM已成功用于制造此类多孔微针。Li 等人[56]报道了通过金属注射成型成功制备用于透皮药物递送装置的钛多孔微针阵列（图13）。

6.7 助听器：金属挂钩、管件和各种其他部件

助听器的部件，如金属钩和管状部件，已通过MIM工艺成功制造。这些部件具有非常复杂的几何形状，传统上通过数控加工小型零件并将其粘合在一起进行制造。然而， MIM工艺能够提供更高的成品质量和经济实惠的制造成本（图14）。

6.8 人体植入材料 支架和脊柱植入物

MIM可用于制造支架，这些支架可植入人体血管以治疗心血管疾病。在引入MIM之前，具有大尺寸薄壁结构和极其复杂表面的支架需要通过精密加工来制造。由于结构复杂，制造成本极高。图15显示了何博士在WORLDPM2018大会上报道的由MIM制造的支架。目前，可通过MIM制造不同材料的支架，包括不锈钢和镍钛合金。这两种材料均具有合理的高密度和低间隙含量，使烧结产品具备良好的生物相容性和力学性能。

采用MIM制造的不锈钢植入物，b)植入物螺纹和c) 植入物表面腔体的顶部 [55])

通过MIM制造的316L不锈钢支架 和 (b)NiTi支架（由广西科技大学， 中国制造）。)

7. 生物相容性金属材料MIM的进展

自从金属注射成型（MIM）首次应用于医疗器械领域以来，该技术在材料选择、过程控制以及所有终端用户领域的可重复质量方面均取得了显著进步[57]。如今，MIM被认为是一种具有优异重复性的可靠工艺，这推动了其在医疗行业中的发展。以下将讨论几种适用于MIM制造的重要金属生物材料。

7.1 不锈钢的MIM

17‐4PH、420和440C不锈钢（SS）由于具有高强度、良好的耐磨性、生物相容性、经济性和可制造性，是医疗器械最常用的金属材料[36, 58‐63]。事实上，不锈钢首次作为外科植入物应用是在1926年，当时一种含18% Cr和8% Ni的不锈钢（316SS型）表现出优异的性能[64]。与含钒钢相比，该材料具有更高的强度和更优的耐体液性能。自此以后，不锈钢成为内骨折固定、关节置换和创伤性节段性骨置换中最常用的材料。然而，由于Ni离子对人体具有毒性作用，近年来已开发出一系列无镍不锈钢。

已用于临床应用多年[41, 42, 65, 66]。它们兼具优异的力学性能和生物相容性。然而，传统的制造不锈钢医疗器械的技术（如锻坯的数控加工）仍然是主流技术，但金属注射成型已证实其作为经济型替代方案的适用性。大量研究已开展以评估不锈钢在金属注射成形加工中的适用性以及所制造部件的性能[40, 60, 67, 68]。例如，姬等人 [60]确认，通过合理选择金属注射成型参数，316L不锈钢部件易于实现高密度。目前，大多数通过金属注射成型生产的316L产品密度均高于98%。如此高的密度可为任何生物医学应用提供令人满意的力学性能。

7.2 钛基生物材料的金属注射成型

在所有金属生物材料中，钛具有多种显著优势，包括较低的弹性模量、优异的耐腐蚀性以及增强的生物相容性[69]。钛及其合金的低弹性模量对于硬组织替代尤为重要，可减轻应力屏蔽效应，从而降低翻修手术的发生风险[69]。应力屏蔽是指由于植入物的弹性模量较高，导致骨骼承受的生理负荷减少，进而引起骨丢失的现象[70]。钛及其合金的生物医学应用实例包括牙科和骨科植入物、人工心脏、起搏器、膝盖关节、骨板、心脏瓣膜假体、骨折固定螺钉、人工髋关节和角膜背板[71, 72]。然而，钛及其合金也存在一些缺点，限制了其作为理想生物材料的应用。例如，其摩擦学性能较差。

钛基材料最重要的应用是用于承重植入物，例如全膝或髋关节置换和骨支架，在这些应用中，人体组织与新植入物之间的适当结合至关重要。只有当体液能够透过植入物时，体细胞才能在其中生长，这种结合才可能发生。为了充分为金属植入物增加此类功能，已在金属结构中引入孔隙率。将临时空间保持剂技术[22]与MIM结合可在此方面提供一种解决方案。

在过去几十年中，许多研究人员如[18, 32, 73‐80]已深入研究了采用金属注射成型技术制造钛植入物和医疗器械的应用，但进展仍然缓慢。事实上，目前使用金属注射成型技术制造钛植入物的商业化活动非常有限，主要原因是需要使用昂贵的细小（≤45微米）、低氧含量的球形钛粉。这正是相较于成熟的不锈钢金属注射成型制造业，金属注射成型‐钛产业进展缓慢的主要原因。

然而，通用钛金属注射成型部件的市场增长表明，人们对使用低成本粉末的兴趣正在增加。钛增材制造（AM）的发展降低了适用于金属注射成型的钛粉的成本。由于大多数增材制造技术所使用的钛粉粒径大于MIM所用的粒径，因此适用于金属注射成型的钛粉变得更加易得且价格更低[57]。尽管如此，钛对氧和碳的高反应性在MIM工艺中仍需特别考虑（包括需要采用专用粘结剂体系）。这些因素增加了钛金属注射成型生产成本。然而，与原始粉末的成本相比，这部分额外成本可以忽略不计。尽管如此，对于医疗器械而言，由于其特定的应用条件，如非常复杂的几何形状、小型零件以及传统制造技术（即铸造和机加工）的高成本，即使使用特殊粉末，MIM仍是一种经济实惠的制造技术。在这方面，美国材料与试验协会[81, 82]发布了首个标准规范用于Ti‐6Al‐4V和未合金化钛外科植入物制造中的金属注射成型应用。

许多研究人员报告称，使用MIM技术成功制造并改善了钛植入物的性能。例如， Aust等人[83]报道了通过Ti‐6Al‐7Nb合金的金属注射成型制造骨螺钉植入物，用于固定和修复断裂的齿状突轴（图16）。该合金是常用生物材料Ti‐6Al‐4V的一种替代品，其中生物相容性铌金属被用来替代钒，以避免钒在人体内的毒性作用。

对于承重生物材料部件而言，一个重要的性能要求与疲劳强度相关。Ferri等人[84‐86]研究了通过金属注射成型（MIM）制造的Ti‐6Al‐4V植入物的疲劳行为。他们发现，尽管与其他标准制造方法相比，MIM的疲劳性能显著较低，但喷丸处理等后处理技术可提高其抗疲劳性。这种改善的主要原因是烧结样品表面因局部塑性变形导致表面粗糙度发生变化（如图 17[86],所示），并引入了表面压缩残余应力。类似地，通过等离子体处理[87]改善了钛植入物的表面粗糙度，以提高这些植入物的临床成功率[88]。

表3总结了增材制造在钛医用植入物制造中最成功应用的一些实例及其性能。其力学性能与传统制造技术获得的性能相当，表明MIM工艺具有良好的适用性。

7.3 多孔钛的金属注射成型

多孔涂层最初于20世纪60年代末被提出，旨在增加植入物表面的粗糙度，从而提高植入物与周围骨组织之间的摩擦力。这种多孔涂层为植入物提供了更好的初始稳定性，减少了植入物失效的发生。植入后，骨骼长入多孔表面，有助于提高植入物的长期稳定性[98]。自那时起，多孔涂层已广泛应用于各种医疗植入物应用中，但近年来实践已转向全多孔结构，因为金属多孔植入物具有更优的生物相容性，同时具备足够的力学性能。

除了成熟的传统制造工艺外，目前的研究重点还放在开发用于多孔金属制备的新工艺和方法上，特别是多孔钛及其合金的制备。如前所述，尽管钛及其合金的杨氏模量较低，但仍远高于人皮质骨，从而增加了由于植入物周围应力屏蔽效应导致植入物失效的风险。钛的弹性模量约为114吉帕[99] ，而松质骨和皮质骨的人骨数值则在1‐35吉帕范围内[100]。解决方案是将孔隙引入钛结构中。这些多孔结构可定制为具有接近人骨的力学性能，并通常设计成有利于骨长入[71]。钛植入物的力学性能和杨氏模量可通过孔隙结构的体积分数、尺寸和分布进行调节。已有研究表明，随着孔径和孔隙分数的增加，多孔钛的弹性模量可降低至非常接近人皮质骨的数值（即< 35吉帕）。

如前所述，MIM与造孔剂技术结合已被用于制造多孔植入物。内勒斯等人于2003年提交的一项美国专利[101],描述了利用MIM结合KCl或NaCl作为造孔剂，制造具有至少 10%开孔孔隙率的不同金属材料的原理。自那时以来，研发工作已评估了该技术用于制造多孔钛[22, 47‐49, 102‐107]和不锈钢[108, 109]部件的可能性。例如， Carreno‐Morelli等人[47]应用氢化钛粉末的MIM工艺并结合造孔剂技术，生产出弹性模量极低（范围为4‐22吉帕）的高孔隙钛部件。在类似的研究中，陈等人[103]使用氢化脱氢钛粉末和NaCl颗粒作为造孔

剂，制造出孔隙率达72%的多孔钛部件。图16[103]展示了采用MIM工艺制造的不同孔隙率水平的多孔钛部件示例。这些微观结构表明形成了良好连通的孔隙结构，这对生物医学应用[110]至关重要。同样，本研究作者也采用MIM技术制造了孔隙率为40 %的钛多孔支架，其杨氏模量低至7.8吉帕[22]。此类研究活动表明，MIM工艺具备制造多种钛多孔植入物和支架的能力。

对于许多特定的生物医学应用，MIM技术还能够制造在试样内部具有孔隙率梯度的多孔部件。例如，Barbosa等人[43]采用双组分金属注射成型技术制造了具有孔隙率梯度的钛脊柱植入物部件（图19）。他们提出，植入物的低孔隙率（或致密）部分负责其机械稳定性，而高孔隙率部分则通过连通孔隙促进细胞长入和体液循环，从而促进骨整合。类似地，MIM技术的另一项扩展是在单一工艺中制造由两种不同材料连接而成的部件[111]。在这方面，Mulser和Petzoldt [112]研究了采用双组分金属注射成型技术制造由Ti‐6Al‐4V和不锈钢材料组成的生物医学植入物。

具有梯度孔隙率的牙科植入物的制造最近也引起了研究关注。例如，图20显示了一个多孔钛牙科植入物的扫描电镜图像，该植入物在某些区域具有高孔隙率，可在孔隙结构内实现快速组织长入[114]。

在另一个有趣的尝试中，Lou等人使用粉末共注射成型技术制造了一种具有致密核心和多孔外层的骨植入物（图21）[115]。这种创新产品可以克服骨骼与植入物之间弹性模量不匹配、连接强度低以及表面涂层不稳定等常见问题。

7.4 形状记忆生物医学合金的MIM

形状记忆合金（SMAs）在某些生物医学应用中持续引起广泛关注 [116, 117]。这些合金在超过其弹性变形极限的变形后仍可恢复至原始形状，已被用作治疗栓塞的自膨胀支架 [118]。在所有形状记忆合金材料中，具有镍和钛近等原子比成分的镍钛合金 （Nitinol）因其良好的生物相容性、耐腐蚀性、低弹性模量以及优异的形状记忆效应和超弹性而获得了重要的生物医学应用 [119‐121]。Nitinol 的特征在于其独特的应力‐应变图，与不锈钢和钛等许多传统生物医学合金不同，但与人皮质骨相似 [122]。该合金已被用于制造骨科、正畸、心血管以及微创手术器械 [119, 120]。形状记忆镍钛植入物的一个优势在于其植入后能够根据体温发生形状变化。这些形状变化有助于增强骨固定效果并减少侵入性手术 [123]。然而，随着这类合金作为生物医学植入物的应用日益增加，人们越来越关注其镍离子释放的风险及其对人体的毒性作用。幸运的是，由于钛对氧的反应性强于镍，表面特性主要由这一因素决定。因此，基于钛的表面氧化层不仅提高了材料的耐腐蚀性，还在植入物表面形成了一层保护层，有效阻止镍离子释放 [119, 124]。

镍钛诺生物医学部件可以通过不同的技术进行制造，例如铸造和粉末加工。与任何生物医学设备一样，由于几何复杂性，粉末冶金尤其是MIM技术成为首选的制造技术。已有许多研究尝试评估MIM技术用于制造钛镍形状记忆合金医用植入物的适用性[125‐128]。例如，克罗内等人[129]采用MIM技术作为从钛镍合金制造足部U形钉（图22）的合适工艺。在此尝试中，他们使用预合金化的钛镍粉末，以避免在烧结过程中钛和镍粉末之间发生放热反应。此类足部U形钉通过在骨折部位施加永久载荷来稳定骨缺损，同时支持骨再生[118]。图22展示了这种U形钉的功能，表明其在体温为37 °C时植入后能够施加永久压力。

科勒等人通过结合金属注射成型（MIM）与造孔剂技术，对制造高多孔的镍钛合金部件进行了类似的研究 [130, 131]。

7.5 可生物降解金属植入物的金属注射成型

MIM有可能被用作制造由镁、铁和锌合金制成的可生物降解金属植入物的合适制造技术。

7.5.1 镁

除了作为轻质材料的应用外，镁及其合金因其优异的生物相容性和可降解性能 [38, 118, 132]，在生物医学骨科和创伤学领域的外科植入物应用中也具有广阔前景。尽管目前镁合金主要被考虑用于非承重应用，如支架[133], ，但由于其弹性模量远低于钛和不锈钢等传统生物材料，因此也有潜力用于承重应用。与其他金属类似，粉末冶金可能是制造镁合金植入物的合适方法。然而，镁对氧的强烈亲和性给任何粉末冶金工艺都带来了重大挑战。鉴于镁合金粉末冶金存在的这些问题，已开发出特殊 MIM工艺作为制造小型复杂可降解镁植入物的潜在技术，以实现高重复性[38, 134‐136]。

7.5.2 铁

作为一种力学性能与316L不锈钢相似的可降解金属，纯铁（Fe）在可降解支架以及可降解承重植入物方面具有应用潜力[137]。铁甚至比镁等其他可降解金属更具生物相容性，并且已知是人体代谢中的必需元素，包括在

运输、激活和储存分子氧[138]。然而，纯铁在体内环境中的降解速率非常缓慢。要成为理想的可生物降解植入物[139],，其降解速率需要提高。通过与其他生物相容性元素 （如Mn、Ag、Au和C）合金化，可以提高铁的降解速率[140‐142]。铁的粉末冶金工艺简单直接，因此金属注射成型（MIM）为制造几何结构复杂的生物医学铁植入物提供了可行的解决方案。此类应用已被考虑[46, 143]。

8. 未来趋势和结论

自从MIM首次应用于医疗领域以来，该技术在材料选择、过程控制和可重复性方面取得了显著进步。文献表明，研究人员已尝试提高MIM在制造多孔和致密生物医学植入物和器械方面的适用性，且许多MIM产品具有可用于临床试验的可接受性能和性能。

在当前重要的生物相容性金属中，钛及其合金因其高生物相容性、低重量、优异的耐腐蚀性、低杨氏模量和高强度，成为医疗应用的首选。然而，由于钛对杂质（尤其是氧和碳）具有很高的亲和性，使其通过金属注射成型（MIM）进行制造面临重大挑战。另一方面，医疗领域对小型复杂零件日益增长的需求，预计将在未来几年推动市场需求的增长。在此背景下，MIM仍然是制造此类小型复杂零件最经济实惠且可行的制造技术。特别是，相关研究已足够成熟，可推进金属注射成型制造的植入物在工业制造和临床应用中的发展。

目前，还有其他制造工艺，如铸造、机械加工、传统粉末冶金和金属增材制造（AM），这些工艺能够用于制造

生物医学器械和植入物。然而，大多数这些工艺，特别是传统工艺，在几何形状复杂的零件大批量生产方面的成本和可制造性上，无法与MIM工艺所承诺的可行性相竞争。金属增材制造在科学上具有吸引力，但在成本方面仍有很长的路要走。然而，除了粉末价格降低的优势外，金属增材制造还为MIM业务带来了另一项重要优势，即能够更快速且更具成本效益地提供复杂的MIM模具。因此，MIM在医用植入物和器械领域的未来令人鼓舞。

由于MIM实现了高密度，大多数MIM制造的生物材料的静态力学性能与传统方法 （如铸造或锻造）制造的材料相当。然而，由于结构中存在一些微小孔隙，其动态力学性能特别是疲劳寿命则明显较差。这些孔隙可通过热等静压消除，因此MIM制造材料的疲劳性能得到显著改善。这一改进对于许多植入物至关重要，因为这些植入物需要在人体内承受循环载荷并终身服役。MIM制造的生物材料及零件的耐腐蚀性能仍是一个需要进一步关注的重要领域。事实上，目前仍缺乏关于MIM制造植入物体外和体内性能的系统性实验数据。这些数据对于优化MIM工艺的各个方面以制造生物医学植入物和器械至关重要，包括开发完全生物相容性粘结剂系统、优化粉末粒径和分布、脱脂条件以及烧结周期。

作为MIM技术在医疗行业当前及未来趋势的概述，其应用可分为医疗器械和植入物两个重要领域。目前，与植入物相比，MIM技术在医疗器械制造方面已相当成熟。许多医疗器械和器械部件目前已实现工业规模制造

使用不锈钢、钛及其他金属材料的MIM技术。这些应用包括但不限于：关节镜工具、骨钻、手术机器人臂、骨锉、切割钳、活检钳、针导向器、锯导板以及数百种内窥镜器械。然而，采用MIM技术制造医用植入物仍处于早期开发阶段，临床上获批的通过该技术制造的植入物尚不多见。尽管如此，一些固定部件（如正畸托槽）已使用 MIM技术制造多年，MIM仍然是此类托槽的主要制造工艺。然而，大多数临床批准的可植入部件仍通过铸造、锻造和机械加工等传统方法制造。考虑到对几何形状复杂的植入物需求不断增长、MIM技术在医用植入物制造方面的显著优化进展以及原材料 （特别是细钛粉）的可用性，预计MIM技术在医疗行业的市场需求将大幅提升。

总之，MIM 完全具备满足医疗器械和器械的尺寸及材料性能要求的能力，这一点已在原型应用中得到证实。该技术还显示出制造多孔植入物材料的潜力。然而，金属注射成型生物材料要被接受为植入物，还需进行详细的评估。此外，MIM 可用作新型设计 （包括微型和功能梯度器件）的低成本制造技术。此类发展可能为当前医疗问题提供新的解决方案。最后，金属增材制造的持续健康发展有望进一步降低金属粉末价格， 并使 MIM 更容易且更经济地获得复杂且多功能的连接件。因此，与以往相比， MIM 当前更有优势在小型且复杂的外科器械和生物医学产品的制造中发挥首要作用。

未进行喷丸处理，b) 喷丸处理应用后 [86])

42%孔隙率，b) 52%孔隙率，c) 62%孔隙率，d) 72%孔隙率 [103])

采用双组分金属注射成型工艺制造的钛脊柱植入物，b) 术后植入物放置，以及 c) 横截面的微观结构，显示多孔部分和致密部分之间结合良好 [43,113])

粘结剂体系	参考文献
石蜡‐低密度聚乙烯‐硬脂酸	[20, 21]
石蜡‐高密度聚乙烯‐硬脂酸	[22]
石蜡‐聚乙烯‐硬脂酸	[23, 24]
石蜡石蜡‐聚乙二醇‐低密度 聚乙烯‐硬脂酸	[25]
聚乙二醇‐聚甲基丙烯酸甲酯‐硬脂酸	[26, 27]
石蜡‐聚醋酸乙烯酯‐硬脂酸	[28]
石蜡‐聚乙烯醋酸乙烯酯‐硬脂酸	[29, 30]

生物医学部件	材料	描述	参考文献或专利号
工业纯钛（CP‐Ti）金属注射工业纯钛（CP‐Ti）部件的成型用于 生物医学应用			[33]
钛‐铌（Ti‐Nb）	低模量钛‐铌合金的金属注射成型用于 生物医学应用		[34]
钛‐锰 （ Ti‐Mn）	用于生物医学应用的低成本β型钛锰合金的制备 通过金属注射成形工艺 及其力学性能		[35]
Ti‐Nb‐Zr 不锈钢	开发 Ti‐22Nb‐Xzr的使用金属注射 成型用于生物医学应用 生物相容性不锈钢的粉末注射成型		[28]
Co‐Cr‐Mo	生物器件 烧结温度对密度、硬度和		[36]
		MIM Co30Cr6Mo生物医学合金强度的影响	[37]
Mg 不锈钢	镁 粉末注射 成型 (MIM) of 用于生物医学应用的骨科植入物 新型医疗工具及其制造方法		[38]
			CN109602478A
Ti	金属注射模制钛合金外壳用于 可植入医疗设备		US20080269829A1
Ti	用于生产医疗器械的金属注射成型 植入物		US20060285991A1
Ti 镁合金	使用MIM制造多孔植入物 制造多孔镁或镁合金		CN102242288A
	生物医学植入物或医疗器具		WO2010014009A2

合金	应用	拉伸 强度，MPa	延伸率，%	参考文献
Ti‐6Al‐4V	植入物	846	14.8	[89]
工业纯钛（CP‐Ti）	植入物	483	21	[33]
Ti‐6Al‐7Nb	骨螺钉 植入物	846	13.7	[83, 90]
Ti‐6Al‐4V‐ 0.5B	植入物	902	11.8	[85, 91]
Ti‐13Mn	植入物	888	1.0	[35]
Ti‐9Mn	植入物	1046	4.7	[78]
Ti‐10Nb Ti‐16Nb Ti‐22Nb	植入物	638 687 754	10.5 3.6 1.4	[30]
Ti‐17Nb	植入物	641	5.1	[92]
Ti‐12Mo	植入物	528	2.3	[93]
Ti‐6Al‐4V‐2Fe Ti‐6Ali‐4V‐4Cr	植入物	980 1030	14.8 15.1	[94]
Ti‐24Nb‐4Zr‐ 8Sn	植入物	656	9.2	[95]
Ti‐20Nb‐10Zr‐ 0.5Y	植入物	690	4.5	[96]
Ti‐29Nb‐13Ta‐ 4.6Zr	植入物	630	2.8	[97]