增材制造生物鎂合金材料、工藝、性能及應用綜述

來源：JMACCMg

鎂（Mg）及其合金具有良好的可降解性、生物相容性和力學相容性，近些年來在生物醫(yī)學領域受到了研究人員的廣泛關注。目前，Mg及鎂合金產品的加工通常采用鑄造、鍛造等傳統(tǒng)的熱加工方法。盡管傳統(tǒng)加工方式制造的鎂合金比強度很高，但其屈服強度較低，不足以承受大載荷，而且鑄造過程中容易產生裂紋和氣孔等缺陷。此外，其加工性能差，成形效率低，采用傳統(tǒng)制造方法難以生產結構復雜的Mg基產品。與傳統(tǒng)工藝相比，增材制造（AM）技術能有效簡化成型工藝，通過其獨特的設計能力賦予產品不同結構和形狀，為骨齒科等領域生產理想的產品。因此，需要對原材料、制造工藝、性能和應用進行詳細而透徹的了解，以促進商業(yè)化增材制造-鎂產品的生產。

最近，香港城市大學Paul. K Chu教授、暨南大學于振濤教授和南方醫(yī)科大學符青云博士等人全面綜述了增材制造鎂基生物制品從原材料、制造工藝、性能到應用的研究進展，指出面臨的問題和挑戰(zhàn)，并對未來的發(fā)展方向給出了具體建議。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2213956723001020

原材料制備方面：Mg基增材制造的原料主要是Mg粉或者Mg絲。Mg粉制備具有較高的爆炸風險，生產企業(yè)相對較少。目前生物醫(yī)用Mg粉的主要產品包括純Mg和WE43，其最佳粒徑范圍在20 μm ~ 70 μm之間，主要采用氣體霧化法制備。該方法制備的顆粒具有純度高、氧化程度低、粉末粒度可控，以及球形度好、環(huán)境污染程度小等優(yōu)點，但制備過程中需要氬氣氣氛的保護，且粉末中會存在一定含量的空心粉和衛(wèi)星粉。由于六方密排結構，Mg在室溫下的塑性變形能力有限。因此，Mg絲的加工需要涉及較大的塑性變形，如熱擠壓、冷拔等。圖1是Mg絲加工過程中拉拔成形工藝示意圖。

圖1 Mg合金絲拉拔過程示意圖:(a)拉拔模截面圖[40];(b)連續(xù)拉拔過程

Mg基增材制造技術方面：金屬材料的增材制造技術一直是增材制造領域中所公認的最具有挑戰(zhàn)性和發(fā)展前景的前沿尖端方向之一，也是長時間以來的研究熱點。Mg基增材制造主流技術主要包括激光增材制造（LAM）、電子束增材制造（EBAM）、電弧增材制造（WAAM）和固相增材制造（SSAM），技術特點見表1。LAM是研究最廣泛的Mg合金產品制造技術之一，其優(yōu)點是精度高，強度令人滿意，但工作效率低、延展性有限且鎂粉活性高，易爆炸。EBAM的能量利用率高于LAM，高能電子束的快速加熱和冷卻效果可能會在印刷部件中產生固有缺陷。WAAM可以產生中等強度和可觀的延展性，但WAAM中殘余應力所引起孔隙、開裂等缺陷尤為突出。SSAM過程中不存在金屬熔化現象，避免了熔化結晶凝固過程中的冶金缺陷，但存在加工周期長，且制備過程中易產生應力積累和形變，影響打印件的精度和質量等問題。圖2和3是是常用熔化極惰性氣體保護焊-WAAM和SSAM的工作原理示意圖。

表1 Mg基制品常用增材制造技術特點

圖2 GMAW-WAAM示意圖

圖3 三種不同SSAM工藝示意圖

目前，AM-Mg基制品性能研究主要包括力學性能、降解性能和生物相容性。表2和3是常見AM-Mg基產品的力學性能。原材料的質量、增材制造工藝、材料結構設計以及后處理工藝等均影響AM-Mg基制品性能，例如，結構設計中通過增加孔隙率可以降低其力學性能，而孔隙率的改變同樣影響期降解性能和生物相容性。3D打印的Mg支架表面往往比較粗糙，不利于生物醫(yī)用，因此通過后處理工藝（表面改性）以增強其適用性往往也是必要的�？傮w來說，目前研究材料性能與影響因素之間關系的數據較少，需要進一步加強研究。此外，為了適應更多醫(yī)療應用場景，含有聚l -乳酸（PLLA）、聚乳酸-乙醇酸（PLGA）、羥基磷灰石（HA）、β-三鈣 磷酸（β-TCP）、水凝膠、生物活性陶瓷和生物活性玻璃等活性成分的Mg基復合材料也正成為一個新興的增材制造研究領域。

圖4 常見鎂合金醫(yī)療器械

表2 SLM法制備常見鎂合金制品的力學性能

表3 WAAM法制備常見鎂合金制品的力學性能

盡管AM-Mg基制品已經取得了一定的進展，但距離最終應用仍然存在諸多挑戰(zhàn)。原材料方面，Mg粉和Mg絲的制備和存儲有較大研究空間。在增材制造技術方面，現有增材制造技術均不能有效滿足Mg基制品的生產，亟需進一步發(fā)展現有增材制造技術或開發(fā)新的增材制造技術。在性能研究方面，需要進一步加深理解性能與其影響因素之間的關系。最后，需要進一步提高對Mg基制品復合打印、Mg基制品后續(xù)表面改性及臨床應用研究，以促進AM-Mg基制品的進一步發(fā)展。

生物可降解金屬鎂（Mg）及其合金因其優(yōu)異的力學性能和生物降解性在生物醫(yī)學研究中引起了廣泛的關注。然而，傳統(tǒng)的鑄造、擠壓和商業(yè)加工在制造具有復雜形狀/結構的部件方面存在局限性，并且這些過程可能產生諸如空洞和氣孔等缺陷，從而降低產品的性能和實用性。與傳統(tǒng)技術相比，增材制造（AM）可用于精確控制具有多個幾何尺度的不同Mg基材料制成的工件的幾何形狀，并為骨科，牙科和其他領域生產理想的醫(yī)療產品。然而，需要對原材料、制造工藝、性能和應用進行詳細而全面的了解，以促進商業(yè)化AM-Mg基生物醫(yī)學組件的生產。因此，本文從上述幾個方面綜述了AM-Mg基生物醫(yī)用產品的最新研究進展和重要問題，并討論了未來的發(fā)展和應用趨勢。

該文章發(fā)表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第11卷第5期：
Qingyun Fu, Wenqi Liang, Jiaxin Huang, Weihong Jin, Baisong Guo, Ping Li, Shulan Xu, Paul K. Chu*, Zhentao Yu*. Research perspective and prospective of additive manufacturing of biodegradable magnesium-based materials [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2023, 11(5): 1608-1617.

作者團隊
符青云（共同第一作者），南方醫(yī)科大學口腔醫(yī)院博士后。博士畢業(yè)于暨南大學，主要從事新型生物醫(yī)用可降解金屬的開發(fā)、表面改性及鎂合金電弧增材制造技術開發(fā)研究。近三年來共發(fā)表SCI論文14篇，授權發(fā)明專利4項，其中以第一作者發(fā)表SCI論文7篇。

梁文琦（共同第一作者），暨南大學2019級碩士生，主要從事鎂合金電弧增材制造技術研究。

Paul K. Chu （朱劍豪，通訊作者），香港城市大學講座教授，中國香港工程科學院院士，美國材料研究學會會士，美國物理學會會士，美國真空學會會士，國際電氣與電子工程學會會士，中國香港工程師學會會士。兼任Materials Science and Engineering R: Reports副主編，Biomaterials等期刊編委。2016-2023年連續(xù)入選世界高被引學者榜單。

于振濤（通訊作者），暨南大學教授，博士生導師，中國生物材料學會首屆會士，中國生物材料學會理事，中國生物材料口腔顱頜面材料分委會主委等。主持和為主參加了國家“863”、“973”、科技支撐、自然科學基金，以及國家重點研發(fā)計劃、國際科技合作專項等國家及省部級各類科研項目40余項。獲省部級一、二等獎13項，申/獲國家發(fā)明（實用新型）專利100余項，主/參編專著7部，發(fā)表論文250余篇。