天然骨骼具有重要的特性，包括強大的變形恢復能力以及在身體不同部位具有不同的機械和傳質(zhì)特性，以確保其滿足日常功能需求。當使用金屬支架作為部分植入物來治療局部骨質(zhì)流失時，它們必須與植入部位的天然骨骼的這些特性緊密匹配。因此，理想的支架應該兼具高度的變形恢復能力，以及在機械和傳質(zhì)特性方面具有廣泛的可調(diào)控性（即在很寬的范圍內(nèi)可調(diào)）。

天然骨骼可以通過變形來耗散沖擊能量，并在卸載后恢復到原始狀態(tài)，其最大可恢復應變?yōu)?%至4%。傳統(tǒng)金屬支架由于彈性應變有限（<1%），從而導致治療效果受損、植入物潛在失敗以及用戶生活質(zhì)量下降等問題。相比之下，超彈性NiTi合金由于奧氏體(B2)和馬氏體(B19′)相之間的可逆相變，表現(xiàn)出顯著的超過4%的可恢復應變。這種超彈性為NiTi合金在支架應用中提供了顯著優(yōu)勢。

骨骼特性存在顯著的區(qū)域差異，極限抗壓強度相差超過100 MPa，彈性模量(E)相差兩個數(shù)量級，滲透性(K)相差十倍。雖然NiTi支架很有前景，但將足夠的超彈性與這些可調(diào)特性相結(jié)合卻極具挑戰(zhàn)性。超彈性和機械性能之間顯然需要權(quán)衡。具體而言，一些NiTi支架的可恢復應變超過4%，但其壓縮應力僅在5MPa至15MPa之間。雖然后熱處理有時可以改善超彈性，但它們同時會引起氧化并增加工藝復雜性。此外，之前的研究主要集中在不銹鋼和鈦支架的傳質(zhì)性能上，而NiTi支架受到的關(guān)注較少。

因此，研制具有可調(diào)力學和傳質(zhì)性能的超彈性NiTi支架至關(guān)重要且刻不容緩。本研究采用激光粉末床熔合（LPBF）構(gòu)建了具有分級微觀結(jié)構(gòu)和螺旋片宏觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定B2相。這種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設計顯著促進了馬氏體相變，實現(xiàn)了顯著的超彈性，可恢復應變超過4%。此外，通過調(diào)整體積分數(shù)（Vf）和晶胞尺寸（a），有效地調(diào)節(jié)了力學和傳質(zhì)性能，同時不影響超彈性。在骨植入物需求急劇增長的背景下，預計到2030年市場價值將達到642.7億美元，具有靈活性能調(diào)節(jié)空間的超彈性NiTi支架明顯優(yōu)于現(xiàn)有同類產(chǎn)品，有效滿足了骨植入物對高性能支架的需求。此外，這項研究為其他需要集成變形恢復、結(jié)構(gòu)支撐和質(zhì)量轉(zhuǎn)移功能的超材料的領(lǐng)域提供了寶貴的見解。

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成果速覽

天然骨骼具有較大的可恢復應變?yōu)?%至4%，且在不同身體部位其機械和質(zhì)量傳遞特性各有不同。整合這些特性對于用于骨缺損治療的金屬支架的功能性和治療效果至關(guān)重要。

本研究提出一種創(chuàng)新的超彈性鎳鈦(NiTi)支架，其最大可恢復應變高達6%至7%，且彈性模量、循環(huán)應力、抗壓強度、比阻尼能力和滲透性具有廣泛的可調(diào)性。這些令人印象深刻的性能集成歸功于精心設計的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定的奧氏體相、分級微觀結(jié)構(gòu)和螺旋片宏觀結(jié)構(gòu)。

物理實驗和計算機模擬表明，這種獨特的結(jié)構(gòu)組合促進了變形過程中的馬氏體相變，并允許在不影響超彈性的情況下調(diào)整機械和質(zhì)量傳遞特性。變形可恢復和性能可調(diào)的NiTi支架比傳統(tǒng)支架更具適應性，為各種骨植入需求提供了多功能解決方案。

除了支架應用之外，這項研究還為開發(fā)適用于其他領(lǐng)域的先進多功能超材料提供了寶貴的見解。

呂堅院士團隊將此工作以「Superelastic NiTi scaffolds with extensively tuneable mechanical and mass transfer properties」為題發(fā)表于International Journal of Extreme Manufacturing。

圖文解析

圖1.用于制備具有可調(diào)機械和傳質(zhì)性能的超彈性NiTi支架，用于骨植入物。(a)天然骨骼的最大可恢復應變?yōu)?%至4%。(b)NiTi合金表現(xiàn)出超彈性；傳統(tǒng)合金僅表現(xiàn)出有限的彈性。(c)身體不同部位的天然骨骼的多種特性：彈性模量 ( E )、極限抗壓強度(σUCS)和滲透性(K)。(d)采用激光粉末床熔合(LPBF)來制造 NiTi 支架。（e）構(gòu)建了具有分級微觀結(jié)構(gòu)和螺旋片狀拓撲結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定B2相，以實現(xiàn)目標性能。通過調(diào)整體積分數(shù)和晶胞尺寸來調(diào)節(jié)其機械性能和傳質(zhì)性能。

圖2.NiTi支架的微觀結(jié)構(gòu)。

圖3.NiTi支架的宏觀結(jié)構(gòu)。

圖4.NiTi支架的變形恢復性。

圖5.NiTi 支架超彈性比較。

圖6.NiTi支架的可調(diào)機械性能。

圖7.NiTi支架與先前研究中合金的比較。

圖8.NiTi支架的傳質(zhì)性能。

總結(jié)展望

本研究介紹了一種創(chuàng)新型鎳鈦合金支架，其集卓越的超彈性和高度可調(diào)的機械及傳質(zhì)特性于一體。我們的支架擁有高達6%至7%的最大可恢復應變，超越了傳統(tǒng)支架，并有效滿足了天然骨骼的變形需求(4%)。這種卓越的超彈性源于通過多尺度優(yōu)化增強的馬氏體相變，這包括(1)穩(wěn)定B2相并用分級微結(jié)構(gòu)取代粗柱狀晶粒，以及(2)采用高效的片狀拓撲結(jié)構(gòu)取代常用的支柱拓撲結(jié)構(gòu)。

此外，通過調(diào)整體積分數(shù)和晶胞尺寸，我們在這些超彈性NiTi支架中實現(xiàn)了廣泛的關(guān)鍵特性，包括彈性模量（800–3500 MPa）、循環(huán)應力（30-150 MPa）。這種靈活的性能組合使我們的NiTi支架能夠出色地適應骨植入物的多樣化性能要求。

基于這些進展，系統(tǒng)地評估體外生物相容性和體內(nèi)成骨潛力，以及進一步研究在機械、流體和生物因素聯(lián)合影響下支架的穩(wěn)定性，對于推進臨床轉(zhuǎn)化至關(guān)重要。除了醫(yī)療應用外，經(jīng)過適當改進的支架還具有廣泛的應用潛力，包括流體催化劑載體、航空航天飛行器的結(jié)構(gòu)承重以及智能建筑的減振。

這項研究為開發(fā)集變形恢復、結(jié)構(gòu)支撐和傳質(zhì)功能于一體的先進多功能超材料提供了寶貴的見解，為未來的創(chuàng)新和跨學科合作鋪平了道路。

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/adf01e

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