供稿人：王迎鑫 、王富 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2022-03-15
新一代人體植入物需要局部進行個性化設計其力學行為來呼應組織特性，增材制造技術因其制造的高靈活性得到廣泛關注。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，具有定制化多孔結構的鈦合金增材制造成為當下人體植入物的主流發(fā)展方向，但是強度和模量的平衡難以實現(xiàn)。最近伯明翰大學冶金與材料學院同華南理工大學機械與汽車工程學院使用馬氏體TiNi生物材料設計了一種孔隙率可調的仿生梯度晶格結構，并實現(xiàn)了超高比強度，結構的制造通過激光粉末床融合加工（LPBF）技術實現(xiàn)。該技術的主要原理為：通過Unigraphics NX 8.5軟件對晶胞和晶格結構進行設計，采用LPBF技術進行制造，孔隙的選擇和分布以真實股骨CT為參照進行選取，壓縮試驗和電子顯微鏡觀測對結構的變形、斷裂和力學性能進行了表征。
圖1(a) 仿生晶胞的設計過程，(b) 具有不同結構孔隙度水平的晶胞，(c) LPBF處理的均勻晶格樣品，以及 (d) 結構分級模式，3D模型和圖像LPBF 處理的功能梯度晶格結構。
為了增強細胞滲透和增殖，對晶胞結構采用了圓柱形支柱的設計，結構曲率平滑，孔隙率的設置通過改變中央立方體和支柱的尺寸來實現(xiàn)。隨后對結構進行HIP熱處理，用于減少晶格支柱內的缺陷。
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力 - 應變曲線和斷裂形態(tài)：(1) AF和HT樣品的插入彈性卸載曲線的應力-應變曲線來確定HT樣品的彈性模量；(b) Ti2Ni 析出物和馬氏體基體的應力-應變曲線，取自與 (c) 中區(qū)域相關的高溫熱處理后的晶格，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構的變化進行了分析，發(fā)現(xiàn)機械性能是因 Ti2Ni 相的形態(tài)和分數(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構可以在防止界面斷裂的同時減少界面失配。經(jīng)過熱處理的 FGLS 在多尺度上進行了分級強化和增韌，保持了低楊氏模量（4.46 GPa）和良好的延展性的條件下，實現(xiàn)了超高的比強度（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原生組織并滿足生物學需求，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械相容性，例如機械不匹配、應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。