供稿人：王迎鑫 、王富 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-03-15
新一代人體植入物需要局部進(jìn)行個性化設(shè)計(jì)其力學(xué)行為來呼應(yīng)組織特性，增材制造技術(shù)因其制造的高靈活性得到廣泛關(guān)注。生物組織表現(xiàn)出多孔的特征，鈦合金與組織的生物相容性高，具有定制化多孔結(jié)構(gòu)的鈦合金增材制造成為當(dāng)下人體植入物的主流發(fā)展方向，但是強(qiáng)度和模量的平衡難以實(shí)現(xiàn)。最近伯明翰大學(xué)冶金與材料學(xué)院同華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院使用馬氏體TiNi生物材料設(shè)計(jì)了一種孔隙率可調(diào)的仿生梯度晶格結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了超高比強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)的制造通過激光粉末床融合加工（LPBF）技術(shù)實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)的主要原理為：通過Unigraphics NX 8.5軟件對晶胞和晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用LPBF技術(shù)進(jìn)行制造，孔隙的選擇和分布以真實(shí)股骨CT為參照進(jìn)行選取，壓縮試驗(yàn)和電子顯微鏡觀測對結(jié)構(gòu)的變形、斷裂和力學(xué)性能進(jìn)行了表征。
圖1(a) 仿生晶胞的設(shè)計(jì)過程，(b) 具有不同結(jié)構(gòu)孔隙度水平的晶胞，(c) LPBF處理的均勻晶格樣品，以及 (d) 結(jié)構(gòu)分級模式，3D模型和圖像LPBF 處理的功能梯度晶格結(jié)構(gòu)。
為了增強(qiáng)細(xì)胞滲透和增殖，對晶胞結(jié)構(gòu)采用了圓柱形支柱的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)曲率平滑，孔隙率的設(shè)置通過改變中央立方體和支柱的尺寸來實(shí)現(xiàn)。隨后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行HIP熱處理，用于減少晶格支柱內(nèi)的缺陷。
圖2 從制造(AF)和熱處理(HTed) 后的梯度晶格樣品中提取的壓縮微柱的壓縮應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線和斷裂形態(tài)：(1) AF和HT樣品的插入彈性卸載曲線的應(yīng)力-應(yīng)變曲線來確定HT樣品的彈性模量；(b) Ti2Ni 析出物和馬氏體基體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，取自與 (c) 中區(qū)域相關(guān)的高溫?zé)崽幚砗蟮木Ц?，插入彈性卸載曲線顯示Ti2Ni的彈性模量；熱處理后樣品中 (d) 和 (e) Ti2Ni和馬氏體基體微柱的SEM斷口形貌。
為了探究不同工藝條件（AF、HIPped 和 HTed）下機(jī)械性能（如彈性模量）的變化，研究人員對FGLS在不同條件下微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)械性能是因 Ti2Ni 相的形態(tài)和分?jǐn)?shù)的變化而改變的，Ti2Ni 顆粒的晶格條紋與基體之間的過渡非晶結(jié)構(gòu)可以在防止界面斷裂的同時(shí)減少界面失配。經(jīng)過熱處理的 FGLS 在多尺度上進(jìn)行了分級強(qiáng)化和增韌，保持了低楊氏模量（4.46 GPa）和良好的延展性的條件下，實(shí)現(xiàn)了超高的比強(qiáng)度（約 70 kN m/kg）。 增材制造的仿生功能梯度支架可以更好地適應(yīng)原生組織并滿足生物學(xué)需求，并通過最大限度地減少不良的骨-植入物相互作用來提高機(jī)械相容性，例如機(jī)械不匹配、應(yīng)力屏蔽和植入物失敗。毫無疑問，使用仿生材料的仿生 FGLS 支架的AM是定制組織工程中下一代支架的趨勢。