3D打印記憶合金，在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國2016年出臺的《“十三五”科技創(chuàng)新規(guī)劃》第五章“構建具有國際競爭力的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術體系”中明確指出要大力發(fā)展新材料技術和先進高效生物技術。本次規(guī)劃的重點主要集中在植介入器械、組織修復材料和前沿新技術三個大方向。南極熊了解到，并且中國的863計劃中也對此有涉及，中國在3D打印生物金屬方面也有著顯著的科研優(yōu)勢。

記憶合金在醫(yī)學醫(yī)療領域的應用包括血管支架，矯形植入物方面。我國以西北有色金屬研究院，中科院沈陽金屬研究所，天津大學等高等院校和科研院所也進行了大量的理論研究和生產(chǎn)工藝研究，取得了眾多的科研成果和專利技術。記憶合金國內(nèi)發(fā)展到那個地步了？

形狀記憶合金在臨床醫(yī)療領域內(nèi)有著廣泛的應用，例如人造骨骼、傷骨固定加壓器、牙科正畸器、各類腔內(nèi)支架、栓塞器、心臟修補器、血栓過濾器、介入導絲和手術縫合線等等，記憶合金在現(xiàn)代醫(yī)療中正扮演著不可替代的角色。

鈦鎳基記憶合金

沈陽海納鑫科技
沈陽海納鑫科技以鈦鎳基記憶合金絲作原料，采用激光熔覆增材制造工藝，通過對制造部件的組織控制和變形量的控制，真空自耗凝殼爐的熔池大，獲得合金元素的充分均勻化，防止合金偏析。

通過3D打印鈦鎳記憶合金絲的激光熔覆增材制造步驟為：
-根據(jù)要制造的部件的CAD圖紙，用3Dmxs軟件建模；
-用Cura軟件切片，然后把此程序輸入到激光熔覆打印機的控制電腦中；
-根據(jù)要制造部件的壁厚和部位的不同，確定熔覆速度，激光參數(shù)，送絲速度；
-調定冷卻用氬氣的壓力，流量；
-開始激光熔覆打印；
-冷卻處理，成品修整。

了解到沈陽海納鑫科技的技術不僅僅體現(xiàn)在3D打印過程中，還體現(xiàn)在前期的鈦鎳基記憶合金的熔煉，鈦鎳基記憶合金絲的制備，以及加工過程中制造部件的組織控制和變形量的控制。另外，沈陽海納鑫科技在合金中加入了微量的稀土金屬元素，主要是為了細化晶粒和調整Ms轉變溫度。并且，對于槳類部件的槳葉部分的變形控制，沈陽海納鑫科技采取了對稱激光熔覆的工藝，同時控制激光熔覆速度和氣體冷卻速度，使其各個槳葉的組織和變形量基本一致。

形狀記憶合金血管支架
南京航空航天大學
南京航空航天大學基于自動鋪粉的激光組合加工技術制備形狀記憶合金血管支架，根據(jù)待加工零件的三維數(shù)據(jù)模型，利用高能激光束熔化混合粉末體系，通過逐層鋪粉、逐層熔凝疊加累積的方式，直至最終成形網(wǎng)狀結構的血管支架坯件，然后經(jīng)過電化學拋光處理達到特定表面粗糙度要求。

了解到這種血管支架具有以下特點：
-依靠形狀記憶合金所特有的超彈性功能和形狀記憶效應，可有效降低血管支架在臨床應用時血管再狹窄發(fā)生率；
-通過力學性能和模擬生物體環(huán)境測試，血管支架具有良好的生物組織和血液相容性，符合醫(yī)學應用條件；
-基于激光組合加工技術超高制造精度的優(yōu)勢及成形過程中惰性氣體的保護，有效克服傳統(tǒng)血管支架制備時加工表面粗糙、毛刺和氧化等問題。

南京航空航天大學研發(fā)的血管支架在高溫定型后，在低溫時壓縮 成收縮狀態(tài)并壓握在球囊上，外加保護鞘，當支架進入血液后，即刻達到相變溫 度，從奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，當外部保護鞘去除后，支架自行張開到預定的直徑， 起到對狹窄病變區(qū)域的支撐作用。其中，血管支架在未變形時的相為奧氏體相， 撐開后轉變?yōu)轳R氏體相，相變會改變合金的機械性能，但不會改變其原始成分， 當發(fā)生奧氏體到馬氏體相變時，材料的硬度和強度都會提高，由于NiTi合金自 身良好的生物和組織相容性，發(fā)生相變后也不會對人體產(chǎn)生副作用。

南京航空航天大學采用的合金材料為鎳、鈦，第三種成分為Co或Cr或V中的一種。第三種成分可使材料表面形成致密穩(wěn)定的氧化膜，有效抑制孔蝕的發(fā)生，從而提高血管支架整體的耐蝕性， 保證支架在人體內(nèi)部的正常工作。

具有4D效應的脊柱側凸內(nèi)固定矯正裝置
廣州邁普再生醫(yī)學
現(xiàn)有的金屬類脊柱側彎內(nèi)固定器械在Zimmer，Stryker、Medtronic 和Depuy等公司的相關專利及技術資料中都有提到，然而現(xiàn)有脊柱側凸手術矯形也存在一些問題，如：假關節(jié)形成、內(nèi)固定失敗 (斷釘、棒和脫鉤等)、深部感染等；特別對于手術患者，他們的側凸程度 往往較為嚴重，醫(yī)生在制定手術方案時，往往面臨著是選擇激進還是保守治 療的難題。

脊柱側彎疾病有個特點，每個病人的脊柱變形都不盡相同，側凸角度、 旋轉角度、脊椎骨形態(tài)、側凸位置及對周邊影響、脊柱旁軟組織結構都不盡 相同，臨床醫(yī)生有個性化器械的需求。廣州邁普再生醫(yī)學發(fā)現(xiàn)3D打印技術的進步使制造更符合病人生理構造的個性化的脊柱矯形內(nèi)固定器械成為可能。4D效應就是3D打印材料自動變成為預設的模型，是在3D打印的基礎上增加了時間維度，也就是廣州邁普再生醫(yī)學的具有4D效應的脊柱側凸內(nèi)固定矯正裝置中的4D的含義，隨時間可控變形的性質是通過基于應力平衡的方式實現(xiàn)的。

了解到廣州邁普再生醫(yī)學的打印過程主要包括以下步驟：

-通過3D打印激光燒結打印技術制備鎳鈦基記憶合金材料骨架，待鎳鈦基記憶合金材料骨架冷卻后，設計弧度并進行彎折；
-通過3D打印熔融沉積式打印技術，在得到的鎳鈦基記憶合金材料骨架上沉積熱塑性材料從而制備熱塑性材料外殼或者單獨制備熱塑性 材料外殼再將鎳鈦基記憶合金材料骨架與熱塑性材料外殼組合，其中所述鎳 鈦基記憶合金材料骨架的定位孔與所述熱塑性材料外殼的定位銷進行配合， 從而得到功能單元。

本文參考資料：
ScienceDOI:10.1126/science.aaf6524
Science Advances  DOI: 10.1126/sciadv.1600319
Investigations on Ni-Ti shape memory alloy using laser based AM

來源：3d科學谷
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