江西理工大學(xué)帥詞俊等｜鋅的激光增材制造：成型質(zhì)量、織構(gòu)以及細(xì)胞行為

本研究論文聚焦激光增材制造可降解金屬鋅的成型質(zhì)量、織構(gòu)以及細(xì)胞行為的研究。激光增材制造不僅充分實(shí)現(xiàn)金屬粉末近凈形狀制造的可能性，還能精確制造出復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在骨修復(fù)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。金屬鋅兼具良好的生物相容性和適中的降解速率，被認(rèn)為是一種極具潛力的可降解金屬。然而鋅存在較低的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，在制備過(guò)程中容易產(chǎn)生蒸發(fā)產(chǎn)物，使激光束輻射和輸入粉末層的激光能量不一致，進(jìn)而降低了鋅植入物的形成質(zhì)量。本文采用激光增材制造技術(shù)制備金屬鋅，通過(guò)闡明激光工藝參數(shù)對(duì)金屬鋅成型質(zhì)量、織構(gòu)以及力學(xué)性能的影響機(jī)制，獲得了制備金屬鋅的優(yōu)化激光工藝。在優(yōu)化激光工藝下，金屬鋅的平均硬度、機(jī)械強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到了50.2HV、127.8MPa和7.6%。此外，還分析了金屬鋅的降解行為和成骨性能。這項(xiàng)工作為選擇激光工藝參數(shù)以?xún)?yōu)化鋅植入物的綜合性能提供了依據(jù)。

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圖1 （a） 鋅的粉末形態(tài)和（b）粒度分布；（c）激光粉末床熔合（LPBF）的常用工藝參數(shù)；（d） LPBF制造的鋅樣品

圖2 在LPBF過(guò)程中采用不同激光功率（P）和掃描速度（V）制備鋅的表面形貌（藍(lán)色箭頭表示孔隙度，比例尺位于左上角，BD：建筑方向）

圖3  在LPBF過(guò)程中使用不同激光功率和掃描速度制造鋅的橫截面形貌和相對(duì)密度。比例尺顯示在左上角；紅色和藍(lán)色區(qū)域分別代表密度低于90%和高于99.5%的部分

圖4 （a） 在掃描速度（400、600和800 mm/s）和激光功率（80和100 W）的組合下， LPBF制備鋅的晶粒取向圖和（b）織構(gòu)強(qiáng)度圖。紅色、藍(lán)色和綠色分別表示圖片, 圖片, 和圖片晶粒取向

圖5 （a）LPBF制備鋅的硬度及其分布；（b）拉伸試驗(yàn)后的應(yīng)力-應(yīng)變拉伸曲線；（c）拉伸參數(shù)和（d）拉伸測(cè)試后斷裂表面。這些拉伸樣被標(biāo)記為S1、S2、S3、K1、K2和K3，其中S和K分別對(duì)應(yīng)于80和100W的激光功率，1、2和3分別代表400、600和800mm/s

圖6 （a）骨髓基質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）的細(xì)胞形態(tài)和（b）CCK-8結(jié)果；（c）堿性磷酸酶（ALP）染色和（d）在鋅提取物中培養(yǎng)1、7和14天后細(xì)胞的活性；（e）茜素紅染色和（f）相應(yīng)的定量分析；（g）在具有TRPM7和/或GPR39敲除的hMSC中培養(yǎng)后，Ca2+對(duì)Zn的反應(yīng)；（h） TRPM7和/或GPR39敲低的hMSC中的cAMP和PKA活性