在醫(yī)療產(chǎn)品上的應(yīng)用。
我國是人口大國，并且老齡化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，加上過去一味的追求經(jīng)濟發(fā)展而對環(huán)境過度的破壞，使人們的健康問題面臨著巨大的挑戰(zhàn)，激發(fā)了整個社會對醫(yī)療產(chǎn)品的需求。
而醫(yī)療產(chǎn)品如何不斷提高質(zhì)量、降低成本是國內(nèi)外學(xué)者一直研究的課題。醫(yī)療產(chǎn)品的需求量很大，并且很多產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)也很精密復(fù)雜，需要一種新的制造技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)生產(chǎn)，
金屬粉末注射成形 （Metal Injection Molding ，MIM）是一種新型的近凈成形技術(shù)，可在較短的周期內(nèi)批量生產(chǎn)出具有復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，能符合醫(yī)療產(chǎn)品的制造要求，成為一種理想的制造方法。
1 MIM 技術(shù)1.1 MIM 技術(shù)的工藝流程
MIM 是 20 世紀(jì)快速發(fā)展起來的近凈成形工藝，一般工藝過程為：粉末 + 粘結(jié)劑→混煉→注射成形→脫脂→燒結(jié)。
首先是利用高分子聚合物與粉末混合，在一定條件下混煉出具有足夠的流動性、混合均勻并滿足注射要求的喂料，其次是選擇合適的注射溫度、注射壓力和注射速度等工藝參數(shù)進行注射成形，然后是脫去注射坯中的粘結(jié)劑后進行燒結(jié)，使粉末形成冶金結(jié)合，最后得到符合要求的制件。
1.2 MIM 技術(shù)的特點
MIM 是集塑料成形工藝學(xué)、高分子化學(xué)、粉末冶金工藝學(xué)和金屬材料學(xué)等多學(xué)科相結(jié)合而形成的一種零部件新型近凈成形技術(shù)，具有以下幾個特點：
①利用 MIM 技術(shù)成形后的零件不需要后續(xù)加工或者后續(xù)加工很少，材料利用率高，屬于近凈成形技術(shù)，可生產(chǎn)高性能、形狀復(fù)雜的零件。
②可以通過計算機對喂料的填充過程、制品的燒結(jié)進行模擬，可以在前期對工藝實現(xiàn)優(yōu)化[1-2]，得到最佳的設(shè)計方案。
③注射過程中腔內(nèi)部各點壓力相等，在喂料均勻混合的前提下各處密度也是相等的，不會出現(xiàn)密度梯度，易于實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。
2 MIM 技術(shù)在醫(yī)療產(chǎn)品上的應(yīng)用2.1 MIM 技術(shù)制造的醫(yī)療產(chǎn)品
醫(yī)療產(chǎn)品一般要求具有良好的使用性和足夠長的使用壽命，并且在結(jié)構(gòu)和形狀設(shè)計上要有靈活的設(shè)計性[3]。
20 世紀(jì) 80 年代初期 MIM 技術(shù)首次在醫(yī)療產(chǎn)品得到應(yīng)用，至今已經(jīng)成為 MIM 市場增長最快的領(lǐng)域。
圖 1 是 2015 年北美地區(qū) MIM 技術(shù)在不同行業(yè)所占的比例[4]。可見，在北美地區(qū)醫(yī)療和牙科已經(jīng)成為 MIM 的主要應(yīng)用領(lǐng)域。
目前醫(yī)療用 MIM產(chǎn)品大部分使用的是不銹鋼材料，主要牌號是 316L和 17-4PH；還有鈦合金、鎂合金、金、銀、鉭等[5]。 
圖 1 2015 年北美地區(qū) MIM 在不同行業(yè)所占的比例
2.1.1 牙齒正畸形托槽
MIM 技術(shù)在醫(yī)療上最早是用來制取一些牙齒矯形器具，這些精密產(chǎn)品的尺寸非常小，生物相容性和耐腐蝕性也較好，主要使用的材料就是 316L 不銹鋼，目前正畸形托槽仍然是 MIM 行業(yè)的主要產(chǎn)品。
德國 Forestadent 公司用 MIM 技術(shù)生產(chǎn)出一種雙向倒勾式的正畸形托槽，機械固位力能提高30％，利用 MIM 一次成形后進行拋光，能使托槽對弓絲的摩擦力大大降低，該產(chǎn)品已被 BjornLudwig證實在正畸手術(shù)中具有積極作用[6]。
2.1.2 外科手術(shù)工具外科手術(shù)工具要求具有高強度、低血液污染和能夠?qū)崿F(xiàn)侵蝕性消毒程序等要求，MIM 技術(shù)的設(shè)計靈活性能夠滿足大部分外科手術(shù)工具的應(yīng)用，同時還具有工藝方面的優(yōu)越性，能夠低成本的制造各種金屬制品，正逐步取代傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)成為主要的制造方法。
FloMet 有限公司使用 MIM 技術(shù)開發(fā)出一種不銹鋼爪[7]，采用 17-4PH 不銹鋼生產(chǎn)，密度大于 7.5g/cm3，在手術(shù)時可用來抓取人體內(nèi)的物體，具有鑷子的功能。其設(shè)計相當(dāng)復(fù)雜，要求具有較高的生產(chǎn)精度。
利用 MIM 技術(shù)成形后再進行燒結(jié)，就能夠達到很高的公差水平，不需要大量的后續(xù)處理工藝，避免破壞爪的線向和幾何形狀。
利用鑄造或者機加工的方法很難來生產(chǎn)這種形狀復(fù)雜的不銹鋼爪，需要較長的生產(chǎn)周期，成本也高，使用 MIM 技術(shù)來制造可節(jié)約 60%的成本。
一次性的外科手術(shù)工具需要開發(fā)一種能夠低成本批量生產(chǎn)的工藝，史密斯金屬產(chǎn)品公司利用 MIM技術(shù)生產(chǎn)一種軸組件[8]，應(yīng)用于一種新型的一次性外科器械中，成本只有使用瑞士的數(shù)控機床加工的1/4～1/5，密度是 7.5 g/cm3，極限抗拉強度達到 1190MPa，屈服強度 1090MPa，伸長率是 6.0%，最大硬度是 33 HRC。
該產(chǎn)品的的制造工藝過程是：首先用MIM 技術(shù)成形 178mm 長的兩個軸部件，然后將 2個部分激光焊接，再進行后續(xù)的機加工和熱處理，為了達到較好的公差要求還需要進行噴丸和鈍化處理。
2.1.3 膝蓋植入零件
MIM 技術(shù)在人體植入領(lǐng)域進展的比較緩慢，主要是因為產(chǎn)品的認證和接受需要一個較長的周期。
目前利用 MIM 技術(shù)能夠生產(chǎn)部分替代骨頭和關(guān)節(jié)的零件，使用的金屬材料主要是 Ti 合金[9]。
在生物相容性方面，陳良建等[10]用 MIM 技術(shù)制備孔隙度為60%的多孔鈦，用改良冷凝聚合交聯(lián)法制備明膠緩釋微球并涂覆于多孔鈦表面。
結(jié)果表明：明膠緩釋微球涂層多孔鈦無細胞毒性，可以很好的用來作為醫(yī)療植入物的材料。
加拿大 MaettaSciencesInc 公司成功利用 Ti-6Al-4V 生產(chǎn)出人體植入用膝蓋樣品零件 [11]，該植入物在進入人體后主要承受壓力的作用，并且要有很好的生物相容性。利用 MIM 成形后再進行熱等靜壓，后續(xù)再進行噴丸、拋光和陽極氧化處理，以得到較好的表面性能，降低了與人體的摩擦，提高相容性和使用壽命。
2.1.4 助聽器聲管
MIM 技術(shù)還可用來生產(chǎn)各種醫(yī)療設(shè)備的零部件。
Indo-MIM 公司利用 MIM 技術(shù)為德國 Phonak公司生產(chǎn)一種助聽器聲管[12]，具有提升音率和促進聽力的效果。
MIM 成形后燒結(jié)就可得到這種形狀復(fù)雜的助聽器聲管，為了使聲管表面具有光潔度，后續(xù)只要再經(jīng)過一道玻璃珠噴砂處理工藝就可以。
該聲管的密度大于 7.65 g/cm3，抗拉強度最大能夠達到480MPa，屈服強度 150MPa，伸長率是 45%，最大表面硬度 100HRB。MIM 技術(shù)與之前傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝相比能夠降低 20%的成本。
MIM 技術(shù)在醫(yī)療上還可用來生產(chǎn)很多產(chǎn)品，包括介入治療支架、鎢高密度合金注射器的防輻射屏蔽、顯微外科機械手、微型泵內(nèi)窺鏡零件和藥物吸入器等[13]。
2.2 醫(yī)療產(chǎn)品應(yīng)用的 MIM 新技術(shù)
2.2.1 金屬微注射成形
金 屬 微 注 射 成 形 技 術(shù) （metal micro injectionmolding，μMIM）是德國 IFAM 研究所開發(fā)的一種成形技術(shù)，就是將 MIM 技術(shù)有機地運用到外形尺寸達微米級零件的制備上。
通常意義上 μMIM 可用來生產(chǎn)的產(chǎn)品有兩種：
①尺寸達到微米級，質(zhì)量輕至幾毫克的零件；
②零件的外觀尺寸與傳統(tǒng)注射成形零件的尺寸相似，但局部結(jié)構(gòu)的尺寸達到微米級的帶有微結(jié)構(gòu)的零件。
近些年來，微注射成形成為注射成形領(lǐng)域的研究熱點，隨著現(xiàn)代機械向著微型化方向發(fā)展，微注射成形的應(yīng)用必將越來越廣泛[14]。
目前，Karlsruha 研究中心已將 μMIM 技術(shù)成功應(yīng)用于醫(yī)學(xué)器械微小零件的生產(chǎn)[15]，例如分光計、滴定板等，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸達到了微米級，最小壁厚為 50μm。
圖 2 為德國 IFAM 公司利用 μMIM 技術(shù)生產(chǎn)的用于外科手術(shù)使用的縫合錨[16]，它的尺寸只有火柴頭大小。 
2.2.2 金屬共注射成形
金屬共注射成形 （metal co injection molding，Co-MIM）起源于 20 世紀(jì) 90 年代，是一種三明治式的粉末注射成形技術(shù)。
該工藝是同時或分批的將兩種具有不同特性的材料注射到一個模具中，進行一次復(fù)合注射成形，它能將金屬材料和一個性能完全不同的材料在同一個零部件中結(jié)合到一起。
采用這種方法能獲得具有功能性和復(fù)雜形狀的芯 / 殼層結(jié)構(gòu)，并且不需要對制品進行如涂層、熱處理和組裝等的后續(xù)工藝。最終實現(xiàn)了一道工序可制備出功能梯度材料，極大地減少了工序，降低了成本。
Co-MIM 技術(shù)為功能零件的開發(fā)和設(shè)計提供了一種新思路。李益民等[17]已經(jīng)利用 Co-MIM 技術(shù)提出一種新的生物種植結(jié)構(gòu)，廣泛的應(yīng)用于致密的皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)和外孔內(nèi)實的松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)。
這種結(jié)構(gòu)有利于種植骨和周圍骨質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面應(yīng)力傳遞，外層多孔結(jié)構(gòu)的孔隙率體積比在 5%～60%，最大的孔隙有400μm。
3 展望
根據(jù) BCCresearch 最近對金屬和陶瓷注射成形的市場研究預(yù)測，全球金屬和陶瓷注射成形部件的市場價值將由 2012 年的 15 億美元增長到 2018 年的近 29 億美元，平均年增長率達 11.4%。
同時，隨著汽車銷量的下降，MIM 技術(shù)將更多的進入到醫(yī)療、航天、電子等領(lǐng)域。
在新版的歐洲粉末冶金行業(yè)路線圖中，歐洲粉末冶金協(xié)會指出醫(yī)療市場是注射成形行業(yè)極其重要的一個部分[18]。
隨著市場的不斷擴大，MIM技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越深入，各種基于 MIM技術(shù)的新材料和新工藝也會不斷的被開發(fā)出來。