上海市食品药品监督管理局认证审评中心 （上海 200020）

内容提要： 近年来金属增材制造技术快速发展，因其具有一体成型、节约材料、可定制化等特点，逐渐应用于医疗器械领域。我国增材制造技术也处于世界领先水平，已有多种应用该技术的创新医疗器械产品问世。文章回顾金属增材制造技术的发展，归纳总结金属增材制造医疗器械的优势及现有应用，并针对实际生产中可能出现的风险点进行梳理，以期对企业生产安全的提高及监管部门核查效率的提升提供帮助。

增材制造技术是一种利用计算机软件，依托数字模型实现金属粉末等原材料快速成型的技术。因其一体成型，节约材料，可定制化等优势，打破了目前医疗器械产品的瓶颈，实现个性化治疗，该技术在医疗领域中的应用优势日渐凸显。其中，金属增材制造技术应用广泛，目前已有多类型的金属增材制造医疗器械问世并应用于临床。

1.金属增材制造技术的发展

增材制造技术由来已久，其中金属增材制造技术因其应用广泛成为各国科学家不断探索的热门领域。1989年美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Dechard发明了选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）技术，激光选择性地逐层烧结金属粉末，层层叠加得到所需要的零件。1993年麻省理工学院Emanual Saches教授发明了利用黏接剂将金属、陶瓷等粉末，黏结在一起成型的三维印刷（Three-Dimensional Printing，3DP）技术[1]。德国弗劳恩霍夫激光器研究所在1995年发明了激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）技术。SLM技术是在SLS技术上发展而来，两者原理相似，但有别于SLS技术，SLM技术不依靠黏结剂而是直接用激光束完全熔化粉体，直接成型出接近完全致密度的金属零件。1994年瑞典ARCAM公司开发了电子束熔化成形技术（Electron Beam Melting，EBM），随后又逐渐衍生出电子束选择性熔化（Electron Beam Selective Melting，EBSM）技术，该技术通过在真空下使用高能高速的磁导电子束来逐层选择性地熔化金属粉末并快速成型[2]。另一种较为常见的金属增材制造技术为激光熔覆沉积（Laser Engineered Net Shaping，LENS）技术，它由美国Sandia国家实验室于1996年首先提出，该技术是激光与金属粉末同步输送，按照预设运动轨迹使粉末快速熔化凝固，层层叠加在基板上，最终形成金属零件[3-5]。

随着金属增材制造技术的不断成熟，该技术也逐渐应用到更多领域，特别是医疗器械行业，2011年荷兰医生给一名83岁老人安装了一块用增材制造技术打印出来的金属下颌骨，这是全球首例采用增材制造植入物的临床手术，这意味着至此医疗器械领域将开启新的篇章。我国增材制造技术也属于世界前列，2014年我国批准了首个增材制造的医疗器械髋臼杯[6]。目前应用至医疗器械领域中最为常见的技术主要是上文提到的SLM和EBSM。

2.金属增材制造医疗器械的优势及应用

2.1 金属增材制造医疗器械的优势

目前，金属增材制造技术已应用于航空航天、军工、模具制造及医疗等多个领域，其中因金属增材制造技术特点使其在医疗领域里发展极为迅速。被人熟知的传统制造技术主要是通过设计模具，机械切削加工去除材料来获得所需零件的加工方式，相对于增材制造来说被称之“减材制造”。根据工艺特点，传统金属工艺很难实现一些复杂结构，如特殊的手术器械、致密与多孔结合植入件等等，继而不能满足相适应的医疗需求。相比于传统金属医疗器械生产工艺，金属增材制造医疗器械充分满足了医疗领域的应用特点。一是材料利用率较高，不同于减材制造，增材制造利用层层堆叠金属粉末的加工方式，减少了由于减材带来的不可避免的损失，从而降低成本。二是实现个性化定制，传统精细加工，因其研发周期长、生产工艺复杂等特点，很难实现少量个性化产品的生产，金属增材制造工艺成形过程无需任何模具或机械加工，仅利用计算机软件设计出所需形状的零件数据，通过数据转换后即可直接打印出任意形状的零件，可以节约昂贵的模具生产费用，并大幅缩减了产品的研制周期，从而能实现个性化的医疗预期用途。三是更好的生物力学性能，基于金属增材制造的层层堆积，快速凝固等工艺特点，使得成形后的制件内部冶金质量均匀致密，力学强度及稳定性得到较大提高。四是可制造复杂结构，传统工艺很难实现复杂的多孔结构，有些情况下不能完全模拟人体骨骼等的特殊构造，增材制造技术打破这一技术壁垒，可实现复杂器械的高效生产。

2.2 金属增材制造技术在医疗器械中的应用

2.2.1 个性化手术工具

常规的手术器具不能满足特殊需求和特殊部位的手术要求，但个性化手术工具通常加工周期较长，导致错过最佳的治疗时间。金属增材制造技术的优势完美的解决了这一问题，通过该技术加工个性化手术工具时具有快速、高效的优势，进而实现临床的复杂手术需求，达到精准有效的临床效果。

2.2.2 植入式医疗器械

金属增材制造医疗器械最主要的应用即为植入式医疗器械，目前已上市的金属增材制造植入物主要有关节植入物（如髋关节，膝关节、踝关节、骶髋关节）、脊柱植入物、创伤植入物（如骨钉、骨板），颅颌面植入物等，主要用于组织的修复和重建[7-10]。一般采用生物相容性较好的钛合金、钴铬合金等金属粉末打印任意形状规格的与患者解剖结构高度一致的植入物，增材制造植入物的微孔结构能让相邻正常的骨细胞长入其中，实现骨整合有利于术后的恢复。

2.2.3 牙科修复

增材制造技术在牙科中的应用已广泛报道，据统计我国有94%的人口存在牙齿问题，因增材制造的技术特点和巨大的市场份额，使其在牙科修复领域迅速发展。传统人工铸造的义齿，制作过程较慢，返修率大；增材制造技术不仅可以实现自动化代替大量的人工操作，而且可打印出精密的牙科用材料，如有研究表明金属增材制造的钛合金牙种植体可高度还原牙槽骨的天然结构，可在表面打印出复杂的窝沟结构，植入后可促进成骨细胞在窝洞中的再生[11]。

3.金属增材制造医疗器械的风险点

金属增材制造医疗器械目前正处于迅猛发展期，它的诸多优点也必然会使其在临床中广泛应用。然而，作为医疗领域的新星，金属增材制造也必然会存在一些问题及相应的风险点，了解并识别这些风险点并做到及时有效的风险分析和防控就显得尤为重要，本章节主要围绕人、机、料、法、测、环6个方面阐述金属增材制造医疗器械风险防控要点。

3.1 人员

①人员技能。金属增材制造医疗器械属于新兴技术，缺少具有经验和相应学科背景的技术人员、生产人员、检验人员以及增材制造仪器的维护保养人员。为此，除招聘有专业背景的人员外，企业内部应定期开展培训学习，以保障生产的顺利进行。②人员安全。操作增材制造机或者进行后处理的人员，可能会接触到大量的金属粉末，这些粉末的粒径都＜100μm，容易通过呼吸道进入肺部或黏膜，造成呼吸道或者神经方面损伤。为此，为避免人员安全事故的发生，企业应严格规定工作人员的操作规范，必要时采取穿防护服，带防毒面具等防护措施。③医工交互。金属增材制造医疗器械尤其是定制式金属增材制造医疗器械，在整个设计生产过程需要大量的医工交互环节。对于临床机构来说，若参与设计的临床医生经验不足，不能提供正确的设计需求，对临床需求误判，会导致无法达到临床预期效果；对于企业从事医工交互的设计工程师若不能了解金属增材制造特性，且无临床医学知识，则不能正确的设计、建模、生产来实现临床医师的需求。为此，医生设计以及工程师的设计转化需同时满足要求才能生产出合适的医疗器械。

3.2 机器

①设备爆炸。金属增材制造设备目前不可避免会产生很多小微粒金属粉尘，这些粉尘一旦聚集，可能有着火爆炸等隐患。除此之外，为防止加工过程中金属粉末氧化，打印设备一般都需要有氩气或氮气等惰性气体的保护，这些惰性气体泄漏可能会有使人窒息的危险。因此应对金属增材制造设备采取防爆风险评价和防爆措施并定期检查仪器密封性，保证生产安全。②设备运转。增材制造相关设备若未制定适宜的保养维护制度会对器械生产合格率乃至生产安全造成影响，因此对于增材制造设备、后处理设备、粉末回收设备、清洁设备以及检验设备等应制定责任人定期保养维护。

3.3 材料

主要风险在原料性能方面。金属增材制造原材料的基本性能会直接影响最终成品的品质。这些基本性能主要包括化学成分、颗粒形状、粒度及粒度分布、流动性、循环使用性等几个方面。因此选择合适的原材料并制定严格的原材料储运、检验规程是保证生产顺利进行的基础。

3.4 方法

①产品缺陷。金属增材制造打印机一般是靠激光或电子束逐层融化金属粉末的方式制造零件，能量过高时使得粉末过度融化甚至气化，导致产品成形时会有微小的孔隙和缺陷。当能量过低时则未发生熔化，无法达到打印要求。因此应制定适用于金属增材制造医疗器械行之有效的生产工艺规程和作业指导书，如对SLM和EBM过程中的关键参数（功率、光斑大小、层厚、扫描速度、扫描路径、有效加工区域、新旧粉末比例等）进行充分的确认与验证。②软件风险。与传统机加工不同，增材制造医疗器械从设计、建模、打印，后处理等都需要用到软件（如数据传输软件、建模软件、设计软件、切片软件、控制软件等），因此软件的验证确认以及其中数据的安全问题应予以重视。若数据保存不当或被误改，将会造成无法挽回的损失。

3.5 测量

①原材料检验。上文提到原材料风险中主要包含其化学组成等要求，原材料也是产品的基础，因此企业应制定相应的原材料检验规程来保障原材料安全可控。②成品检验。金属增材制造医疗器械的成品检验是质量控制的关键，应考虑尺寸、精度、力学性能、孔径、孔隙率、是否满足预期用途等相关指标，设计合理的检验方法和放行程序。

3.6 环境

①厂区环境。金属增材制造的厂房内会产生大量粉末，如钛、铝、镁等金属粉末悬浮在空气中，达到一定的浓度后，如果遇到火源，会发生燃烧从而产生爆炸。有可能引发着火和爆炸的风险。同时产生的烟尘会影响生产制造人员的身体。因此建立厂区内的通风系统，同时配备防尘、防火、防爆设备和器具是防止爆炸的关键控制点。②设备环境。金属增材制造设备应根据要求放置于合适的生产环境中，企业应确定环境参数，如温度、湿度等，配有温湿度监控仪器及控制仪器。

4.小结

金属增材制造技术已在医疗领域中崭露头角，但目前仍无法与传统加工方式平分天下。只有不断完善金属增材制造的技术、制定生产规范，完善监管模式才能更好地利用金属增材制造技术优势，使其全面应用于临床。本文梳理了金属增材制造技术的研究进展，并对其应用优势做以总结，最后提出生产过程中可能存在的风险点，以期辅助企业及监管部门推进金属增材制造的发展。