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繆鉑尊, 付彭懷, 馮澤宇, 鄭 好, 丁藝聞, 褚文杰, 陳娟, 黃華, 袁廣銀, 丁文江. 輪廓掃描策略對(duì)鎂合金多孔植入物性能的影響[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2025, 35(3), 697-709.

研究背景

在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，骨科多孔植入物的設(shè)計(jì)和制造一直是研究的熱點(diǎn)。人口老齡化的加劇和交通事故傷害的上升對(duì)高性能骨科多孔植入物的需求日益增加。激光粉末床熔化(LPBF)增材制造技術(shù)通過(guò)精確控制激光束逐層熔化金屬粉末，能夠制造出具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體，成為制備具有精細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多孔植入物的理想方式。然而，目前鎂合金力學(xué)性能相對(duì)較低，制成多孔結(jié)構(gòu)后，其強(qiáng)度和模量進(jìn)一步降低；鎂合金耐腐蝕性能較差，導(dǎo)致多孔植入物過(guò)早失效、鎂離子局部濃度過(guò)高、甚至氫氣積聚等問(wèn)題。因此，提升多孔植入物力學(xué)和耐腐蝕性能成為鎂合金骨科多孔植入物研究領(lǐng)域亟需解決的重要問(wèn)題。本文重點(diǎn)研究成型參數(shù)中輪廓掃描次數(shù)及后續(xù)熱處理對(duì)鎂合金多孔植入物力學(xué)與耐腐蝕性能的影響規(guī)律，為鎂合金多孔植入物的LPBF制備提供參考。

“3D Science Valley 白皮書(shū) 圖文解析

文章亮點(diǎn)

采用粉末床激光熔化(LPBF)增材制造技術(shù)制備了JDBM鎂合金多孔植入物，揭示了輪廓掃描(C)次數(shù)(1C、2C、6C)和打印后固溶處理(T4)、時(shí)效處理(T5)對(duì)LPBF-JDBM鎂合金多孔植入物壓縮性能與耐腐蝕性能的影響，分析了影響機(jī)制。

圖文解析

隨著輪廓掃描次數(shù)的增加，多孔植入物的壓縮性能逐步提高。從圖1(b)可以看出，單次輪廓掃描的1C多孔植入物的壓縮性能最低，隨著輪廓掃描次數(shù)增加，壓縮強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、楊氏模量均明顯增加。6C多孔植入物壓縮性能最佳：壓縮強(qiáng)度67.8MPa，屈服強(qiáng)度47.9MPa，楊氏模量1.09GPa，與1C多孔植入物相比，壓縮強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和楊氏模量分別提高了66%、55%、38%。

圖1 JDBM鎂合金多孔植入物壓縮曲線(xiàn)(a)與(b)壓縮性能

圖2為多孔植入物浸泡實(shí)驗(yàn)前后的形貌對(duì)比圖和腐蝕速率。從圖2a-b可以看出，輪廓掃描次數(shù)對(duì)多孔植入物內(nèi)部成型質(zhì)量影響不大，但對(duì)宏觀孔隙率影響顯著：6C宏觀孔隙率最低，為59.2%，1C和2C宏觀孔隙率較高，分別為67.2%和63.7%，即隨著輪廓掃描次數(shù)的增加，多孔植入物宏觀孔隙率呈下降趨勢(shì)。多孔植入物最終腐蝕速率如圖2e所示，6C腐蝕速率最高，達(dá)到1.01mm/year，2C腐蝕速率最低，為0.55mm/year，6C腐蝕速率比2C高83.6%。

圖2 不同輪廓掃描次數(shù)JDBM鎂合金多孔植入物腐蝕性能(浸泡28天)：(a)多孔植入物腐蝕前后3D圖，(b)腐蝕前后3D圖二維截面，(c)浸泡試驗(yàn)中的體積損失，(d)浸泡后多孔植入物內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物體積，(e)多孔植入物腐蝕速率

腐蝕后多孔植入物的室溫壓縮性能如圖3所示。與浸泡前相比，浸泡后多孔植入物的室溫壓縮性能顯著下降：浸泡前多孔植入物的壓縮強(qiáng)度為40-68MPa、屈服強(qiáng)度為30-48MPa、楊氏模量為0.79-1.09GPa，浸泡后分別下降至12.8-15.9MPa、9.8-13.9MPa、0.39-0.5GPa，降幅分別達(dá)到70-81%、64-80%、48-64%。三種多孔植入物浸泡前后的變化各不相同：6C多孔植入物的力學(xué)性能下降最為明顯，壓縮強(qiáng)度下降了81.1%、屈服強(qiáng)度下降了79.5%、楊氏模量下降了64.2%；而2C多孔植入物的力學(xué)性能降幅最低，但壓縮強(qiáng)度降幅仍高達(dá)70.6%。浸泡后，2C多孔植入物的力學(xué)性能反超6C多孔植入物：壓縮強(qiáng)度高出24%，屈服強(qiáng)度高出42%，楊氏模量高出28.2%。與浸泡后體積損失相比，多孔植入物的壓縮強(qiáng)度損失率更大，為體積損失率1.5-1.8倍。

圖3 浸泡28天后JDBM鎂合金多孔植入物(a)壓縮曲線(xiàn)與(b)壓縮性能

圖4為T(mén)4和T5熱處理6C多孔植入物浸泡后的形貌與耐腐蝕性能。如圖4a-b所示，浸泡7天后6C多孔植入物整體結(jié)構(gòu)依然相對(duì)完整并保持三維聯(lián)通性，降解產(chǎn)物并未將孔隙填滿(mǎn)。T4-4h和T5-4h熱處理后多孔植入物腐蝕速率明顯低于打印態(tài)，如圖4e所示，表明短時(shí)間時(shí)效處理和短時(shí)間固溶處理均能有效降低多孔植入物的腐蝕速率，其中短時(shí)間時(shí)效處理作用更佳。T5-4h時(shí)效處理后，多孔植入物表現(xiàn)出最佳的耐腐蝕性能：浸泡7天后，腐蝕速率為0.44mm/year，與打印態(tài)相比，下降了58.9%。與打印態(tài)最佳耐腐蝕性能(2C，0.55mm/year，圖4e)相比，T5-4h時(shí)效處理后，多孔植入物腐蝕速率更低，下降20%。T4-4h固溶處理后，多孔植入物的耐腐蝕性能也有明顯提升，腐蝕速率為0.66mm/year，與打印態(tài)相比，下降了38.3%。長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效處理時(shí)(T5-8h)，與打印態(tài)相比，多孔植入物的耐腐蝕性能仍有所提升(腐蝕速率下降21.5%)，但與短時(shí)間時(shí)效處理相比，多孔植入物耐腐蝕性能下降明顯(腐蝕速率由0.44mm/year增加至0.84mm/year)。與其他樣品不同，長(zhǎng)時(shí)間固溶處理后(T4-16h)，多孔植入物耐腐蝕性能有所下降，腐蝕速率為1.45mm/year，與打印態(tài)相比，提高了35.5%。浸泡7天后多孔植入物體積損失率和腐蝕產(chǎn)物體積變化規(guī)律與腐蝕速率類(lèi)似，如圖4c和圖4d所示。

圖4 不同熱處理下JDBM鎂合金多孔植入物腐蝕性能(浸泡7天)：(a)多孔植入物腐蝕后3D形貌圖，(b)腐蝕后3D圖二維截面，(c)浸泡試驗(yàn)中體積損失，(d)浸泡后多孔植入物內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物體積，(e)多孔植入物腐蝕速率

浸泡7天后熱處理多孔植入物室溫壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)與壓縮性能如圖5所示。不同多孔植入物的殘余壓縮強(qiáng)度從高到低排序?yàn)椋篢5-4h>T5-8h>打印態(tài)>T4-4h>T4-16h，即與打印態(tài)相比，T5處理能夠有效提高多孔植入物壓縮強(qiáng)度，而T6處理則顯著降低多孔植入物的壓縮強(qiáng)度。T5-4h多孔植入物殘余壓縮強(qiáng)度最高，為43.5MPa，與打印態(tài)相比，提高了28.3%。T4-16h多孔植入物殘余壓縮強(qiáng)度最低，僅為26.2MPa，與打印態(tài)相比，下降了22.9%。從浸泡后多孔植入物強(qiáng)度來(lái)看，短時(shí)間時(shí)效處理樣品具有最佳的壓縮強(qiáng)度。與打印態(tài)相比，不同熱處理后多孔植入物楊氏模量均有所降低，楊氏模量從高到低排序?yàn)椋捍蛴B(tài)>T5-8h>T5-4h>T4-4h>T4-16h，即T5和T4處理均會(huì)降低多孔植入物的彈性模量，其中T4固溶處理降幅更為明顯。不同的熱處理工藝中，T5-8h長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效處理后，多孔植入物彈性模量最高，為1.00GPa，相對(duì)于打印態(tài)降幅為7.4%，腐蝕速率最低的T5-4h多孔植入物彈性模量次之，為0.80GPa，相對(duì)于打印態(tài)降幅為25.9%；T4-4h和T4-16h固溶處理后，多孔植入物彈性模量為0.75和0.68GPa，降幅分別為30.6%和37.0%。

圖5 不同熱處理?xiàng)l件下JDBM鎂合金多孔植入物(6C,浸泡7天)壓縮曲線(xiàn)(a)與壓縮性能(b)

研究結(jié)論

(1) 輪廓掃描次數(shù)與多孔植入物壓縮性能正相關(guān)。隨著掃描次數(shù)增多，多孔植入物的承載能力顯著增強(qiáng)，其中6C多孔植入物相較于1C多孔植入物，壓縮強(qiáng)度提高了約66%，彈性模量提高了約38%。掃描次數(shù)增加提高了多孔植入物實(shí)心率，宏觀孔隙率下降，從而增加了實(shí)際承載面積。

(2) 輪廓掃描次數(shù)對(duì)多孔植入物腐蝕速率的影響呈現(xiàn)先下降后上升的規(guī)律。經(jīng)28天浸泡實(shí)驗(yàn)測(cè)定，1C多孔植入物的腐蝕速率為0.82mm/year，2C 多孔植入物的腐蝕速率最低，為 0.55mm/year，6C多孔植入物的腐蝕速率最高，達(dá)到1.01mm/year。這種變化趨勢(shì)與多孔植入物表面粗糙度和殘余應(yīng)力密切相關(guān)。

(3) 短時(shí)間時(shí)效處理(T5-4h)和短時(shí)間固溶處理(T4-4h)均能有效降低多孔植入物的腐蝕速率，而長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效(T5-8h)和長(zhǎng)時(shí)間固溶處理(T4-16h)效果較差，T4-16h甚至?xí)铀俣嗫字踩胛锏母g。

(4) 不同熱處理工藝對(duì)多孔植入物殘余力學(xué)性能影響各異。與打印態(tài)相比，T5處理能夠提高多孔植入物的壓縮強(qiáng)度，但會(huì)降低其彈性模量；T4處理則會(huì)使壓縮強(qiáng)度和彈性模量均顯著降低。

(5) 對(duì)于LPBF鎂合金多孔植入物而言，最佳工藝參數(shù)為采用6次輪廓掃描，隨后進(jìn)行4小時(shí)時(shí)效處理(T5-4h)。該工藝參數(shù)組合能夠顯著提升多孔植入物的壓縮性能、耐腐蝕性能以及腐蝕后的殘余壓縮性能，為其在生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力的數(shù)據(jù)支持和性能保障。

團(tuán)隊(duì)介紹

袁廣銀，教授、博士生導(dǎo)師，從事可降解醫(yī)用金屬（鎂、鋅合金）臨床應(yīng)用研究。提出了“生物安全性、材料強(qiáng)韌性、降解可控性”三性合一的可降解醫(yī)用金屬的研究思想，研發(fā)了可降解醫(yī)用鎂合金和鋅合金專(zhuān)利材料，解決了鎂合金“可控降解”和鋅合金“老化”的國(guó)際性難題。專(zhuān)利鎂合金JDBM骨釘成功完成了178例多中心人體臨床試驗(yàn)。成功研發(fā)了抗老化的高強(qiáng)韌可降解醫(yī)用鋅合金，在血管支架和吻合釘?shù)阮I(lǐng)域進(jìn)行了臨床轉(zhuǎn)化。在生物材料知名期刊Biomaterials、Advanced Materials等發(fā)表SCI論文200余篇，被引用8000余次。多次應(yīng)邀在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議做大會(huì)Keynote報(bào)告，在英國(guó)舉行的第十屆國(guó)際可降解醫(yī)用金屬大會(huì)上被授予“杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”。授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利46項(xiàng)（含3項(xiàng)美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利），實(shí)現(xiàn)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化15項(xiàng)。

付彭懷，副研究員、博士生導(dǎo)師，從事鎂合金新材料設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、鑄造新技術(shù)、增材制造技術(shù)研究。入選2010年上海交通大學(xué)SMC-晨星青年學(xué)者和2015年度上海市青年科技啟明星獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃；獲得2009年中國(guó)專(zhuān)利優(yōu)秀獎(jiǎng)、2010年上海市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、2013年中國(guó)有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、2022年中國(guó)有色工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，授權(quán)專(zhuān)利22項(xiàng)。

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