基于激光的塊狀金屬玻璃增材制造在生物醫學中的應用
時間：2024-03-22 09:33 來源：高能束加工技術 作者：admin 閱讀：次
由于對低模量和低成本植入物的迫切需求，非常需要開發具有骨整合和患者定制植入物制造技術的新型生物材料。金屬生物材料，包括不銹鋼、Co-Cr、純鈦及其合金、純鋯及其合金，最常用于制造假體，特別是用于修復或置換病變骨。金屬植入物最常用于修復/置換硬組織，如髖關節、固定裝置、牙科植入物、心血管支架、螺釘和接骨板。這是由于它們具有出色的抗疲勞和承載能力。但是這些材料具有機械不相容的骨彈性模量、耐蝕性差、耐磨性差等問題。而金屬玻璃的非晶性質賦予他們獨特的物理和機械性能，如高強度、良好的耐腐蝕性和耐磨性和接近骨的彈性模量，因此十分適用于生物醫學領域。
與傳統的大塊金屬玻璃（BMG）制造方法相比，激光增材制造技術的優勢不僅在于制造大于臨界鑄件尺寸的BMG，還在于制造復雜的幾何形狀和患者特定的幾何形狀。此外，激光增材制造技術不需要模具預生產和零件特定的模具成本。因此，它具有成本效益，并有望成為工業的潛在BMG制造方法，尤其是生物醫學部件的制造。圖1為激光增材制造技術在生物醫學領域的應用。
激光增材制造制備的BMG的斷裂韌性
BMG通常被稱為準脆性材料，比天然（氧化物）玻璃更堅韌。BMG的斷裂韌性因BMG類型而異，取決于合金組合、加工技術和所用測試類型。一些BMG的韌性與Ti合金相當，而有些則像硅酸鹽玻璃一樣高度脆。比較激光增材制造和鑄造制備的BMG的應力-應變曲線，如圖2a所示。
激光增材制造過程中涉及的加熱導致在熱影響區（HAZ）中形成脆性金屬間層，這使得該技術制備的BMG比鑄造的BMG更脆。在BMG基體中引入堅韌相以形成BMG復合材料和控制BMG的激光增材制造過程中的缺陷，如微孔隙率和結晶分數（圖2（b））可以有效改善脆性問題。
激光增材制造制備的BMG的斷裂韌性
BMG與目前使用的結晶金屬合金（如Ti6Al4V）相比，它們具有高強度、相對較低的彈性模量、良好的生物相容性、高抗破壞性和良好的耐腐蝕性等優異性能。在模擬體液中觀察到激光增材制造制備的BMG的耐磨性高于Ti6Al4AV合金（圖3（a））。對激光增材制造制備的BMG進行了體外生物相容性研究，并將結果與鑄件BMG和Ti6Al4V合金進行了比較。如圖3（b）所示，在96個孔板中接種的MG63細胞顯示出更高的增殖，因此在激光增材制造制備的BMG上具有更好的生長曲線。與316L不銹鋼相比，在SAOS2細胞中接種的各種類型的激光增材制造制備的鐵基BMG顯示出更高的細胞活力（圖3（c））。這證實了與結晶合金相比，激光增材制造制備的BMG具有良好的生物相容性和生物安全性。與結晶Ti6Al4V相比，在激光增材制造制備的BMG上培養的A375細胞分布密集，在激光增材制造制備的BMG上分布得更好（圖4（a-c））。使用MC3T3-E1電池在激光增材制造制備的Zr基BMG、鑄態Zr基BMG和Ti6Al4V基材上進行的粘附測試顯示，第7天后每種材料表面都有致密層。這證實了激光增材制造制備的BMG 對成骨細胞生長和粘附的支持，可與商業級Ti合金相媲美（圖5）。
主要結論
如今，激光增材制造在制造復雜的幾何形狀、具有成本效益和患者特定的植入物方面發揮了重要作用。在激光增材制造制備的BMG植入物滿足臨床要求并滿足廣泛接受性之前，需要解決許多挑戰。最常見的挑戰是部分結晶，這會改變BMG的初始特性，未設計的孔隙形成，這會降低BMG的質量，以及微裂紋，這些裂紋從孔隙中傳播并導致隨后的植入失敗。為進一步滿足各種臨床需求，未來對激光增材制造的研究應集中在工藝參數優化、激光增材制造加工BMG組分的后處理、BMG復合材料的激光增材制造、開發具有高玻璃成型能力的生物相容性合金和殘余應力控制等方面。當前面臨的挑戰和未來的研究趨勢如圖6所示。
與傳統的大塊金屬玻璃（BMG）制造方法相比，激光增材制造技術的優勢不僅在于制造大于臨界鑄件尺寸的BMG，還在于制造復雜的幾何形狀和患者特定的幾何形狀。此外，激光增材制造技術不需要模具預生產和零件特定的模具成本。因此，它具有成本效益，并有望成為工業的潛在BMG制造方法，尤其是生物醫學部件的制造。圖1為激光增材制造技術在生物醫學領域的應用。
圖1.激光增材制造技術在生物醫學領域的應用
激光增材制造制備的BMG的斷裂韌性
BMG通常被稱為準脆性材料，比天然（氧化物）玻璃更堅韌。BMG的斷裂韌性因BMG類型而異，取決于合金組合、加工技術和所用測試類型。一些BMG的韌性與Ti合金相當，而有些則像硅酸鹽玻璃一樣高度脆。比較激光增材制造和鑄造制備的BMG的應力-應變曲線，如圖2a所示。
圖2.（a）激光增材制造制備的BMG應力-應變曲線和斷裂平面與鑄件BMGs的比較；（b）激光增材制造制備的BMG的不同結晶分數和孔隙率下的斷裂韌性
激光增材制造過程中涉及的加熱導致在熱影響區（HAZ）中形成脆性金屬間層，這使得該技術制備的BMG比鑄造的BMG更脆。在BMG基體中引入堅韌相以形成BMG復合材料和控制BMG的激光增材制造過程中的缺陷，如微孔隙率和結晶分數（圖2（b））可以有效改善脆性問題。
激光增材制造制備的BMG的斷裂韌性
BMG與目前使用的結晶金屬合金（如Ti6Al4V）相比，它們具有高強度、相對較低的彈性模量、良好的生物相容性、高抗破壞性和良好的耐腐蝕性等優異性能。在模擬體液中觀察到激光增材制造制備的BMG的耐磨性高于Ti6Al4AV合金（圖3（a））。對激光增材制造制備的BMG進行了體外生物相容性研究，并將結果與鑄件BMG和Ti6Al4V合金進行了比較。如圖3（b）所示，在96個孔板中接種的MG63細胞顯示出更高的增殖，因此在激光增材制造制備的BMG上具有更好的生長曲線。與316L不銹鋼相比，在SAOS2細胞中接種的各種類型的激光增材制造制備的鐵基BMG顯示出更高的細胞活力（圖3（c））。這證實了與結晶合金相比，激光增材制造制備的BMG具有良好的生物相容性和生物安全性。與結晶Ti6Al4V相比，在激光增材制造制備的BMG上培養的A375細胞分布密集，在激光增材制造制備的BMG上分布得更好（圖4（a-c））。使用MC3T3-E1電池在激光增材制造制備的Zr基BMG、鑄態Zr基BMG和Ti6Al4V基材上進行的粘附測試顯示，第7天后每種材料表面都有致密層。這證實了激光增材制造制備的BMG 對成骨細胞生長和粘附的支持，可與商業級Ti合金相媲美（圖5）。
圖3.（a）激光增材制造制備的BMG與Ti6Al4V合金的耐磨性比較；（b）激光增材制造制備的BMG與Ti6Al4V合金的細胞毒性測試；（c）激光增材制造制備的BMG與316l不銹鋼的生物相容性測試
圖4.細胞形態顯示（a）對照組（b）3D打印BMG和（c）Ti6Al4V合金接種24小時的細胞分布和密度
圖5.SEM顯微照片顯示MC3T3-E1細胞在激光增材制造制備的Zr基BMG、鑄件Zr基BMG、Ti-6Al-4V合金和對照基板表面上的粘附和增殖
主要結論
如今，激光增材制造在制造復雜的幾何形狀、具有成本效益和患者特定的植入物方面發揮了重要作用。在激光增材制造制備的BMG植入物滿足臨床要求并滿足廣泛接受性之前，需要解決許多挑戰。最常見的挑戰是部分結晶，這會改變BMG的初始特性，未設計的孔隙形成，這會降低BMG的質量，以及微裂紋，這些裂紋從孔隙中傳播并導致隨后的植入失敗。為進一步滿足各種臨床需求，未來對激光增材制造的研究應集中在工藝參數優化、激光增材制造加工BMG組分的后處理、BMG復合材料的激光增材制造、開發具有高玻璃成型能力的生物相容性合金和殘余應力控制等方面。當前面臨的挑戰和未來的研究趨勢如圖6所示。
圖6.當前面臨的挑戰和未來的研究趨勢
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