隨著居民的平均壽命的上漲，人體的骨骼組織病變案例也越來越多。隨著治療方法的更新換代，越來越多的骨骼組織病變可以采用使用人造植入物進行替換的方法治療。
人造植入物藝術效果圖
圖源：LAM新媒體
生物醫用材料作為材料科學領域的一個重要分支，技術含量高且有著巨大的利益和市場：近10年來，生物醫用材料的市場增長率保持在20-25%，世界人口近65億,據不完全統計,傷殘者接近4億,肢體傷殘者6000萬,牙病患者更是有約20億。而目前生物材料器件植入者僅有3500萬人,每年關節置換量約150萬例,與實際需要置換者的數量相差甚遠。因此,生物醫用材料市場需求潛力巨大。
目前，常見的金屬材料如316不銹鋼、純鈦、TC4、鈷基合金以及貴金屬等被廣泛應用于生產人體植入物，如義齒、骨板、關節等，如圖1所示為典型的金屬植入物。
圖1 典型的人體植入物材料
然而，上述材料的彈性模量均遠大于人體骨骼的楊氏模量，金屬植入物與人體骨骼的楊氏模量不匹配會引發人體生理不適。
所以需要開發一種具有良好的生物相容性和低毒性甚至無毒性、耐摩擦磨損、耐腐蝕以及具有力學性能與人體骨骼相匹配的植入物材料。
鈦合金由于具有優良的力學性能和良好的生物相容性被廣泛運用于生產人體植入物。其中，鈦鉬（Ti-Mo）合金具有很強的耐腐蝕性、耐磨擦磨損性能、高強度、無毒性以及具有很低的彈性模量使其具備更好地生物相容性，并促進骨組織再生，是作為人體植入物的優先選擇材料。
在實際的醫療案例中，由于不同病患患病部位的不同，以及其本身的性別，年齡，體型的不同，每一位患者所需要的植入物的形狀尺寸都是不同的。如果采用傳統的加工方法，例如切削加工，則有以下缺點：
（1）難以生產結構形狀復雜的零件；
（2）切削加工去除了大量的材料，材料的利用率低；
（3）切削加工破化了組織中的流線，降低了構件的力學性能。
（4）由于醫療案例中每一個零件基本都是單件生產，如果采用傳統的制造方法，則設計摸具及加工等工藝會大幅度增加最終成型零件的成本。
激光立體成形技術是一種增材制造（3D打?。┘夹g，作為一種新興的制造技術，具有設計制造周期短、無需模具、可以成形復雜零件、制造柔性高等優點，近年來在世界范圍內得到了廣泛的關注和發展。
而在金屬醫用植入物領域，由于植入物的特殊性，包括獨特而復雜的結構設計以及單件或小批量的生產模式，特別適合采用激光立體成形技術進行生產。所以利用激光立體成形技術生產Ti-Mo合金植入物具有十分廣闊的應用前景。
然而，LSF工藝直接生產的沉積態Ti-Mo合金組織均勻性較差，力學性能還有較大的提升空間。
為此，西北工業大學黃衛東教授（中國鑄造學會第九屆理事長、國家科技部3D打印專家組組長、中國機械工程學會增材制造分會副理事長）（人物介紹>）和林鑫教授（人物介紹>）團隊提出采用一種新型熱處理技術，極大的改善沉積態Ti-Mo合金組織均勻性，調控其力學性能，從而與人體骨骼的力學性能更加匹配，可以使3D打印人體植入物在醫療領域獲得更廣泛的應用。
該成果以 Effect of cycling heat treatment on the microstructure, phase and compression behaviour of directed energy deposited Ti-Mo alloys 為題發表在 Light: Advanced Manufacturing。
本文第一作者是西北工業大學材料學院康楠副教授（人物介紹>），通訊作者是康楠副教授與林鑫教授。
激光立體成形直接制備的Ti-Mo合金運用電子背散射衍射（EBSD）進行相分析的結果如圖2所示，圖（a）、（b）、（c）分別對應于試樣的上中下部?？梢钥吹皆嚇由现邢戮鶠棣?β雙相組織，試樣的α相含量從頂部到底部不斷減小，試樣的β相從頂部到底部逐漸增大，表現出典型的梯度組織不均勻性。
圖2 激光立體成形制備的Ti-Mo樣品中α-hcpTi和β-bccTi的分布和形態（a）P1頂部；（b）P4中間；（c）P7底部區域；（d）相組成統計數據
本文針對激光立體成形直接制備的Ti-Mo合金存在的組織不均勻性，提出一種新型的三重循環熱處理技術來調控Ti-Mo合金的組織和力學性能。對激光立體成形直接制備的Ti-Mo合金進行三重循環熱處理，得到的組織如圖3所示?？梢钥吹浇涍^熱處理的試樣從頂部到底部的組織十分均勻，均為以α為主的近α組織。這說明，經過三重循環熱處理，試樣的組織均勻性得到很大的改善。
圖3 激光立體成形制備的熱處理態Ti-Mo樣品中α-hcpTi和β-bccTi的分布和形態（a）P1-top；（b）P4中間；（c）P7底部區域；（d）相組成統計數據
這樣的組織的轉變是由于三重循環熱處理過程，保溫時間長，爐內冷卻速率低，非平衡亞穩態β相轉變成平衡α相，從而使得試樣從頂部到底部的組織趨于熱力學穩定態。
對激光立體成形Ti-Mo合金進行三重循環熱處理不僅可以改善合金的組織均勻性，而且可以提高合金的力學性能。圖4位激光立體成形Ti-Mo合金沉積態試樣和熱處理后測試的壓縮應變應力曲線。
圖4 激光立體成形制備的樣品在加工后（a，b）和熱處理條件下（c，d）的壓縮應變-應力曲線
可以看到，經過熱處理的Ti-Mo合金與沉積態合金相比具有更高的強度和韌性。此外，與沉積態樣品相比，經過熱處理的樣品在強度，延展性和斷裂行為方面均表現出更加均勻的力學性能。這種機械性能的均勻化得益于循環熱處理后微觀組織梯度的極大減輕。
通過對激光立體成形Ti-Mo合金進行三重循環熱處理，可以極大的改善沉積態組織的不均勻性，此外還能在提高Ti-Mo合金的力學性能的同時改善力學性能的穩定性。
通過激光立體成形Ti-Mo合金和三重循環熱處理可以快速制備具有組織性能穩定，生物相容性好，與人體骨骼力學性能匹配的高可靠植入物，從而在生物醫療領域展現巨大的應用前景。
論文信息
Nan Kang, Kai Wu, Jin Kang, Jiacong Li, Xin Lin, Weidong Huang. Effect of cycling heat treatment on the microstructure, phase, and compression behaviour of directed energy deposited Ti-Mo alloys[J]. Light: Advanced Manufacturing. doi: 10.37188/lam.2021.016
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
