制造领域顶刊，封面文章：AM制备马氏体TiNi仿生人骨

时间：2021-11-23 10:07 来源：材料科学与工程作者：admin 阅读：次

增材制造 (AM)独特的层状沉积方式赋予了其在复杂结构方面制造无与伦比的优势，为下一代个性化医疗植入物的发展提供了新的契机。近期，华南理工大学谭超林博士(目前就职于新加坡制造技术研究院)与英国伯明翰大学Moataz Attallah教授和广东省科学院周克崧院士，武汉理工邹冀教授等人，探索了AM制备一种具有低模量和不对称机械行为的马氏体TiNi仿生梯度结构，可模拟人体骨骼力学行为。相关研究成果以题“Additive Manufacturing of Bio-inspired Multi-Scale Hierarchically Strengthened Lattice Structures” 发表在国际机械与制造领域顶刊International Journal of Machine Tools and Manufacture上，并入选为该刊第172至174期的封面。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2021.103764

天然人骨具有梯度多孔结构，外壳为低孔隙率(5-10%)的致密皮质骨，心部为高孔隙率(50-90%)的松质骨或小梁骨。众所周知，骨支架应符合以下标准: (i) 生物相容性; (ii)具有用于细胞向内生长和营养废物交换的多孔结构, (iii)适合细胞附着、增殖和分化的表面活性; (iv)与宿主硬组织的生物力学相容性,包括具有足够的强度和相似的弹性模量以防止应力屏蔽等。近年来，增材制造(3D打印)技术制备的骨支架为骨缺损修复提供了巨大发展前景。增材制造(AM)独特的设计与制造柔性，能够模拟人体骨骼的关键结构特征(例如, 孔隙率、孔径和孔联通性)，进而调控力学行为。仿生梯度多孔结构是开发新型金属支架的有效途径。梯度孔隙率的多孔结构能够调控不同区域的强度和杨氏模量，以分别匹配人类皮质骨和松质骨的力学性能。仿生结构能够结合理想的特性和卓越的功能，例如低密度下刚度、强度和韧性的独特组合。
除了结构设计，开发新型生物材料以提高机械生物相容性是另一个研究热点。尽管可以通过设计多孔结构来调整弹性模量，但多孔金属的强度（尤其是疲劳强度）会随着孔隙率的增加而显着降低。因此，具有生物相容性低弹性模量金属比传统的钛合金更具吸引力。很多研究聚焦在低模量的b钛合金，但是TiNi 形状记忆合金(SMA)也是非常具有前景的骨支架材料。TiNi SMA具有良好的生物相容性(优于不锈钢和 Ti6Mo3Al 钛合金等)、超弹性和高阻尼能力(对于避免脆性失效至关重要)，并且形状记忆效应有助于植入物在宿主组织内保持良好的机械稳定性。马氏体TiNi 合金相比于奥氏体TiNi具有更好的生物相容性能。因为马氏体相的模量 (21-69 GPa) 低于奥氏体相 (70-110GPa)。马氏体TiNi由于富钛，能够在 TiNi 表面形成一层致密的 TiO2 基氧化膜来降低 Ni 离子释放的程度，确保 Ni 离子释放毒性远低于细胞毒性浓度。此外，马氏体TiNi形状记忆合金具有不对称的拉-压缩行为(即压缩强度显著高与压缩强度)，这与骨骼的力学性能各项异性相一致。

在本研究中，首先根据真实的人体骨骼CT数据，分析骨骼单元机构、孔径、孔隙率及其分布特征，然后通过三维软件设计仿生梯度多孔结构(FGLS)，并采用AM制备。与具有相同孔隙率的均匀网格结构相比，仿生 FGLS 具有显著提高的强度和延展性。后处理热处理改变微观结构并导致在 FGLS 试样中形成多尺度分层强化行为。仿生FGLS 试样的比强度约为 70kN·m/kg，在诸多文献报道的多孔生物金属中结构中处于最高水平。同时，FGLS 试样保持低比模量和合理延展性。此外，采用DIC原位监测了 FGLS 的变形行为，结合微观形貌观察，揭示了多尺度失效机制。仿生 FGLS 表现出良好的生物力学兼容性，包括密度、拉伸/压缩不对称性、模量和强度等。研究结果突出了 AM 通过仿生多尺度分层结构设计定制模量-强度-延展性权衡的能力。

图1. 仿生梯度网格结构的设计与LPBF增材制造成型。(a) 仿生网格单胞的设计过程，(b) 具有不同结构孔隙率的单胞，(c) LPBF 制备的均匀网格结构样品， (d) 梯度网格结构孔隙率分布示意图和3D 模型，以及LPBF 制备的梯度网格结构。

图 2. 网格结构样品的表面形貌：(a) 均匀网格结构, (b) 功能梯度网格结构(FGLS), (c)后续热等静压(HIPped)处理后的FGLS样品。

(责任编辑：admin)

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