增材制造生物鎂合金材料、工藝、性能及應(yīng)用綜述

來(lái)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(xué)相容性，近些年來(lái)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到了研究人員的廣泛關(guān)注。目前，Mg及鎂合金產(chǎn)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(qiáng)度很高，但其屈服強(qiáng)度較低，不足以承受大載荷，而且鑄造過(guò)程中容易產(chǎn)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(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的Mg基產(chǎn)品。與傳統(tǒng)工藝相比，增材制造（AM）技術(shù)能有效簡(jiǎn)化成型工藝，通過(guò)其獨(dú)特的設(shè)計(jì)能力賦予產(chǎn)品不同結(jié)構(gòu)和形狀，為骨齒科等領(lǐng)域生產(chǎn)理想的產(chǎn)品。因此，需要對(duì)原材料、制造工藝、性能和應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)而透徹的了解，以促進(jìn)商業(yè)化增材制造-鎂產(chǎn)品的生產(chǎn)。

最近，香港城市大學(xué)Paul. K Chu教授、暨南大學(xué)于振濤教授和南方醫(yī)科大學(xué)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(yīng)用的研究進(jìn)展，指出面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，并對(duì)未來(lái)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M(jìn)g絲。Mg粉制備具有較高的爆炸風(fēng)險(xiǎn)，生產(chǎn)企業(yè)相對(duì)較少。目前生物醫(yī)用Mg粉的主要產(chǎn)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(diǎn)，但制備過(guò)程中需要?dú)鍤鈿夥盏谋Ｗo(hù)，且粉末中會(huì)存在一定含量的空心粉和衛(wèi)星粉。由于六方密排結(jié)構(gòu)，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(guò)程中拉拔成形工藝示意圖。

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

Mg基增材制造技術(shù)方面：金屬材料的增材制造技術(shù)一直是增材制造領(lǐng)域中所公認(rèn)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(zhǎng)時(shí)間以來(lái)的研究熱點(diǎn)。Mg基增材制造主流技術(shù)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(shù)特點(diǎn)見(jiàn)表1。LAM是研究最廣泛的Mg合金產(chǎn)品制造技術(shù)之一，其優(yōu)點(diǎn)是精度高，強(qiáng)度令人滿(mǎn)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(huì)在印刷部件中產(chǎn)生固有缺陷。WAAM可以產(chǎn)生中等強(qiáng)度和可觀的延展性，但WAAM中殘余應(yīng)力所引起孔隙、開(kāi)裂等缺陷尤為突出。SSAM過(guò)程中不存在金屬熔化現(xiàn)象，避免了熔化結(jié)晶凝固過(guò)程中的冶金缺陷，但存在加工周期長(zhǎng)，且制備過(guò)程中易產(chǎn)生應(yīng)力積累和形變，影響打印件的精度和質(zhì)量等問(wèn)題。圖2和3是是常用熔化極惰性氣體保護(hù)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(shù)特點(diǎn)

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(xué)性能、降解性能和生物相容性。表2和3是常見(jiàn)AM-Mg基產(chǎn)品的力學(xué)性能。原材料的質(zhì)量、增材制造工藝、材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及后處理工藝等均影響AM-Mg基制品性能，例如，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通過(guò)增加孔隙率可以降低其力學(xué)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(guò)后處理工藝（表面改性）以增強(qiáng)其適用性往往也是必要的。總體來(lái)說(shuō)，目前研究材料性能與影響因素之間關(guān)系的數(shù)據(jù)較少，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。此外，為了適應(yīng)更多醫(yī)療應(yīng)用場(chǎng)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(fù)合材料也正成為一個(gè)新興的增材制造研究領(lǐng)域。

圖4 常見(jiàn)鎂合金醫(yī)療器械

表2 SLM法制備常見(jiàn)鎂合金制品的力學(xué)性能

表3 WAAM法制備常見(jiàn)鎂合金制品的力學(xué)性能

盡管AM-Mg基制品已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但距離最終應(yīng)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(chǔ)有較大研究空間。在增材制造技術(shù)方面，現(xiàn)有增材制造技術(shù)均不能有效滿(mǎn)足Mg基制品的生產(chǎn)，亟需進(jìn)一步發(fā)展現(xiàn)有增材制造技術(shù)或開(kāi)發(fā)新的增材制造技術(shù)。在性能研究方面，需要進(jìn)一步加深理解性能與其影響因素之間的關(guān)系。最后，需要進(jìn)一步提高對(duì)Mg基制品復(fù)合打印、Mg基制品后續(xù)表面改性及臨床應(yīng)用研究，以促進(jìn)AM-Mg基制品的進(jìn)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(xué)性能和生物降解性在生物醫(yī)學(xué)研究中引起了廣泛的關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的鑄造、擠壓和商業(yè)加工在制造具有復(fù)雜形狀/結(jié)構(gòu)的部件方面存在局限性，并且這些過(guò)程可能產(chǎn)生諸如空洞和氣孔等缺陷，從而降低產(chǎn)品的性能和實(shí)用性。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，增材制造（AM）可用于精確控制具有多個(gè)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(lǐng)域生產(chǎn)理想的醫(yī)療產(chǎn)品。然而，需要對(duì)原材料、制造工藝、性能和應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)而全面的了解，以促進(jìn)商業(yè)化AM-Mg基生物醫(yī)學(xué)組件的生產(chǎn)。因此，本文從上述幾個(gè)方面綜述了AM-Mg基生物醫(yī)用產(chǎn)品的最新研究進(jìn)展和重要問(wèn)題，并討論了未來(lái)的發(fā)展和應(yīng)用趨勢(shì)。

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(tuán)隊(duì)
符青云（共同第一作者），南方醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院博士后。博士畢業(yè)于暨南大學(xué)，主要從事新型生物醫(yī)用可降解金屬的開(kāi)發(fā)、表面改性及鎂合金電弧增材制造技術(shù)開(kāi)發(fā)研究。近三年來(lái)共發(fā)表SCI論文14篇，授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利4項(xiàng)，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(xué)2019級(jí)碩士生，主要從事鎂合金電弧增材制造技術(shù)研究。

Paul K. Chu （朱劍豪，通訊作者），香港城市大學(xué)講座教授，中國(guó)香港工程科學(xué)院院士，美國(guó)材料研究學(xué)會(huì)會(huì)士，美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士，美國(guó)真空學(xué)會(huì)會(huì)士，國(guó)際電氣與電子工程學(xué)會(huì)會(huì)士，中國(guó)香港工程師學(xué)會(huì)會(huì)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(xué)者榜單。

于振濤（通訊作者），暨南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)首屆會(huì)士，中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)理事，中國(guó)生物材料口腔顱頜面材料分委會(huì)主委等。主持和為主參加了國(guó)家“863”、“973”、科技支撐、自然科學(xué)基金，以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)等國(guó)家及省部級(jí)各類(lèi)科研項(xiàng)目40余項(xiàng)。獲省部級(jí)一、二等獎(jiǎng)13項(xiàng)，申/獲國(guó)家發(fā)明（實(shí)用新型）專(zhuān)利100余項(xiàng)，主/參編專(zhuān)著7部，發(fā)表論文250余篇。