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(lái)越多。隨著治療方法的更新?lián)Q代，越來(lái)越多的骨骼組織病變可以采用使用人造植入物進(jìn)行替換的方法治療。
人造植入物藝術(shù)效果圖
圖源：LAM新媒體
生物醫(yī)用材料作為材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，技術(shù)含量高且有著巨大的利益和市場(chǎng)：近10年來(lái)，生物醫(yī)用材料的市場(chǎng)增長(zhǎng)率保持在20-25%，世界人口近65億,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),傷殘者接近4億,肢體傷殘者6000萬(wàn),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(wàn)人,每年關(guān)節(jié)置換量約150萬(wàn)例,與實(shí)際需要置換者的數(shù)量相差甚遠(yuǎn)。因此,生物醫(yī)用材料市場(chǎng)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(yīng)用于生產(chǎn)人體植入物，如義齒、骨板、關(guān)節(jié)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(yuǎn)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(huì)引發(fā)人體生理不適。
所以需要開發(fā)一種具有良好的生物相容性和低毒性甚至無(wú)毒性、耐摩擦磨損、耐腐蝕以及具有力學(xué)性能與人體骨骼相匹配的植入物材料。
鈦合金由于具有優(yōu)良的力學(xué)性能和良好的生物相容性被廣泛運(yùn)用于生產(chǎn)人體植入物。其中，鈦鉬（Ti-Mo）合金具有很強(qiáng)的耐腐蝕性、耐磨擦磨損性能、高強(qiáng)度、無(wú)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(jìn)骨組織再生，是作為人體植入物的優(yōu)先選擇材料。
在實(shí)際的醫(yī)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(tǒng)的加工方法，例如切削加工，則有以下缺點(diǎn)：
（1）難以生產(chǎn)結(jié)構(gòu)形狀復(fù)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(gòu)件的力學(xué)性能。
（4）由于醫(yī)療案例中每一個(gè)零件基本都是單件生產(chǎn)，如果采用傳統(tǒng)的制造方法，則設(shè)計(jì)摸具及加工等工藝會(huì)大幅度增加最終成型零件的成本。
激光立體成形技術(shù)是一種增材制造（3D打印）技術(shù)，作為一種新興的制造技術(shù)，具有設(shè)計(jì)制造周期短、無(wú)需模具、可以成形復(fù)雜零件、制造柔性高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。
而在金屬醫(yī)用植入物領(lǐng)域，由于植入物的特殊性，包括獨(dú)特而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及單件或小批量的生產(chǎn)模式，特別適合采用激光立體成形技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。所以利用激光立體成形技術(shù)生產(chǎn)Ti-Mo合金植入物具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
然而，LSF工藝直接生產(chǎn)的沉積態(tài)Ti-Mo合金組織均勻性較差，力學(xué)性能還有較大的提升空間。
為此，西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授（中國(guó)鑄造學(xué)會(huì)第九屆理事長(zhǎng)、國(guó)家科技部3D打印專家組組長(zhǎng)、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造分會(huì)副理事長(zhǎng)）（人物介紹>）和林鑫教授（人物介紹>）團(tuán)隊(duì)提出采用一種新型熱處理技術(shù)，極大的改善沉積態(tài)Ti-Mo合金組織均勻性，調(diào)控其力學(xué)性能，從而與人體骨骼的力學(xué)性能更加匹配，可以使3D打印人體植入物在醫(yī)療領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)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(fā)表在 Light: Advanced Manufacturing。
本文第一作者是西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)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(yùn)用電子背散射衍射（EBSD）進(jìn)行相分析的結(jié)果如圖2所示，圖（a）、（b）、（c）分別對(duì)應(yīng)于試樣的上中下部。可以看到試樣上中下均為α+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(xiàn)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(tài)（a）P1頂部；（b）P4中間；（c）P7底部區(qū)域；（d）相組成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
本文針對(duì)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(huán)熱處理技術(shù)來(lái)調(diào)控Ti-Mo合金的組織和力學(xué)性能。對(duì)激光立體成形直接制備的Ti-Mo合金進(jìn)行三重循環(huán)熱處理，得到的組織如圖3所示。可以看到經(jīng)過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(shuō)明，經(jīng)過三重循環(huán)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(tài)Ti-Mo樣品中α-hcpTi和β-bccTi的分布和形態(tài)（a）P1-top；（b）P4中間；（c）P7底部區(qū)域；（d）相組成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
這樣的組織的轉(zhuǎn)變是由于三重循環(huán)熱處理過程，保溫時(shí)間長(zhǎng)，爐內(nèi)冷卻速率低，非平衡亞穩(wěn)態(tài)β相轉(zhuǎn)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(xué)穩(wěn)定態(tài)。
對(duì)激光立體成形Ti-Mo合金進(jìn)行三重循環(huán)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(xué)性能。圖4位激光立體成形Ti-Mo合金沉積態(tài)試樣和熱處理后測(cè)試的壓縮應(yīng)變應(yīng)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?xiàng)l件下（c，d）的壓縮應(yīng)變-應(yīng)力曲線
可以看到，經(jīng)過熱處理的Ti-Mo合金與沉積態(tài)合金相比具有更高的強(qiáng)度和韌性。此外，與沉積態(tài)樣品相比，經(jīng)過熱處理的樣品在強(qiáng)度，延展性和斷裂行為方面均表現(xiàn)出更加均勻的力學(xué)性能。這種機(jī)械性能的均勻化得益于循環(huán)熱處理后微觀組織梯度的極大減輕。
通過對(duì)激光立體成形Ti-Mo合金進(jìn)行三重循環(huán)熱處理，可以極大的改善沉積態(tài)組織的不均勻性，此外還能在提高Ti-Mo合金的力學(xué)性能的同時(shí)改善力學(xué)性能的穩(wěn)定性。
通過激光立體成形Ti-Mo合金和三重循環(huán)熱處理可以快速制備具有組織性能穩(wěn)定，生物相容性好，與人體骨骼力學(xué)性能匹配的高可靠植入物，從而在生物醫(yī)療領(lǐng)域展現(xiàn)巨大的應(yīng)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
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