Selective laser melting (SLM) is an additive manufacturing technique with the ability to produce metallic scaffolds with accurately controlled pore size, porosity, and interconnectivity for orthopedic applications. However, the optimal pore structure of porous titanium manufactured by SLM remains unclear. In this study, we evaluated the effect of pore size with constant porosity on in vivo bone ingrowth in rabbits into porous titanium implants manufactured by SLM. Three porous titanium implants (with an intended porosity of 65% and pore sizes of 300, 600, and 900 μm, designated the P300, P600, and P900 implants, respectively) were manufactured by SLM. A diamond lattice was adapted as the basic structure. Their porous structures were evaluated and verified using microfocus X-ray computed tomography. Their bone–implant fixation ability was evaluated by their implantation as porous-surfaced titanium plates into the cortical bone of the rabbit tibia. Bone ingrowth was evaluated by their implantation as cylindrical porous titanium implants into the cancellous bone of the rabbit femur for 2, 4, and 8 weeks. The average pore sizes of the P300, P600, and P900 implants were 309, 632, and 956 μm, respectively. The P600 implant demonstrated a significantly higher fixation ability at 2 weeks than the other implants. After 4 weeks, all models had sufficiently high fixation ability in a detaching test. Bone ingrowth into the P300 implant was lower than into the other implants at 4 weeks. Because of its appropriate mechanical strength, high fixation ability, and rapid bone ingrowth, our results indicate that the pore structure of the P600 implant is a suitable porous structure for orthopedic implants manufactured by SLM.

Selective laser melting (SLM) is a useful technique for preparing three-dimensional porous bodies with complicated internal structures directly from titanium (Ti) powders without any intermediate processing steps, with the products being expected to be useful as a bone substitute. In this study the necessary SLM processing conditions to obtain a dense product, such as the laser power, scanning speed, and hatching pattern, were investigated using a Ti powder of less than 45 μm particle size. The results show that a fully dense plate thinner than 1.8 mm was obtained when the laser power to scanning speed ratio was greater than 0.5 and the hatch spacing was less than the laser diameter, with a 30 μm thick powder layer. Porous Ti metals with structures analogous to human cancellous bone were fabricated and the compressive strength measured. The compressive strength was in the range 35-120 MPa when the porosity was in the range 75-55%. Porous Ti metals fabricated by SLM were heat-treated at 1300 °C for 1h in an argon gas atmosphere to smooth the surface. Such prepared specimens were subjected to NaOH, HCl, and heat treatment to provide bioactivity. Field emission scanning electron micrographs showed that fine networks of titanium oxide were formed over the whole surface of the porous body. These treated porous bodies formed bone-like apatite on their surfaces in a simulated body fluid within 3 days. In vivo studies showed that new bone penetrated into the pores and directly bonded to the walls within 12 weeks after implantation into the femur of Japanese white rabbits. The percentage bone affinity indices of the chemical- and heat-treated porous bodies were significantly higher than that of untreated implants.