基于激光的塊狀金屬玻璃增材制造在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
時(shí)間：2024-03-22 09:33 來源：高能束加工技術(shù) 作者：admin 閱讀：次
由于對(duì)低模量和低成本植入物的迫切需求，非常需要開發(fā)具有骨整合和患者定制植入物制造技術(shù)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(fù)或置換病變骨。金屬植入物最常用于修復(fù)/置換硬組織，如髖關(guān)節(jié)、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(jī)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(zhì)賦予他們獨(dú)特的物理和機(jī)械性能，如高強(qiáng)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(yī)學(xué)領(lǐng)域。
與傳統(tǒng)的大塊金屬玻璃（BMG）制造方法相比，激光增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不僅在于制造大于臨界鑄件尺寸的BMG，還在于制造復(fù)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(shù)不需要模具預(yù)生產(chǎn)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(yè)的潛在BMG制造方法，尤其是生物醫(yī)學(xué)部件的制造。圖1為激光增材制造技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。
激光增材制造制備的BMG的斷裂韌性
BMG通常被稱為準(zhǔn)脆性材料，比天然（氧化物）玻璃更堅(jiān)韌。BMG的斷裂韌性因BMG類型而異，取決于合金組合、加工技術(shù)和所用測(cè)試類型。一些BMG的韌性與Ti合金相當(dāng)，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(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2a所示。
激光增材制造過程中涉及的加熱導(dǎo)致在熱影響區(qū)（HAZ）中形成脆性金屬間層，這使得該技術(shù)制備的BMG比鑄造的BMG更脆。在BMG基體中引入堅(jiān)韌相以形成BMG復(fù)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(jié)晶分?jǐn)?shù)（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(jié)晶金屬合金（如Ti6Al4V）相比，它們具有高強(qiáng)度、相對(duì)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(yōu)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(duì)激光增材制造制備的BMG進(jìn)行了體外生物相容性研究，并將結(jié)果與鑄件BMG和Ti6Al4V合金進(jìn)行了比較。如圖3（b）所示，在96個(gè)孔板中接種的MG63細(xì)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(zhǎng)曲線。與316L不銹鋼相比，在SAOS2細(xì)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(xì)胞活力（圖3（c））。這證實(shí)了與結(jié)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(jié)晶Ti6Al4V相比，在激光增材制造制備的BMG上培養(yǎng)的A375細(xì)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(tài)Zr基BMG和Ti6Al4V基材上進(jìn)行的粘附測(cè)試顯示，第7天后每種材料表面都有致密層。這證實(shí)了激光增材制造制備的BMG 對(duì)成骨細(xì)胞生長(zhǎng)和粘附的支持，可與商業(yè)級(jí)Ti合金相媲美（圖5）。
主要結(jié)論
如今，激光增材制造在制造復(fù)雜的幾何形狀、具有成本效益和患者特定的植入物方面發(fā)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(zhàn)。最常見的挑戰(zhàn)是部分結(jié)晶，這會(huì)改變BMG的初始特性，未設(shè)計(jì)的孔隙形成，這會(huì)降低BMG的質(zhì)量，以及微裂紋，這些裂紋從孔隙中傳播并導(dǎo)致隨后的植入失敗。為進(jìn)一步滿足各種臨床需求，未來對(duì)激光增材制造的研究應(yīng)集中在工藝參數(shù)優(yōu)化、激光增材制造加工BMG組分的后處理、BMG復(fù)合材料的激光增材制造、開發(fā)具有高玻璃成型能力的生物相容性合金和殘余應(yīng)力控制等方面。當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和未來的研究趨勢(shì)如圖6所示。
與傳統(tǒng)的大塊金屬玻璃（BMG）制造方法相比，激光增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不僅在于制造大于臨界鑄件尺寸的BMG，還在于制造復(fù)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(shù)不需要模具預(yù)生產(chǎn)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(yè)的潛在BMG制造方法，尤其是生物醫(yī)學(xué)部件的制造。圖1為激光增材制造技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。
圖1.激光增材制造技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用
激光增材制造制備的BMG的斷裂韌性
BMG通常被稱為準(zhǔn)脆性材料，比天然（氧化物）玻璃更堅(jiān)韌。BMG的斷裂韌性因BMG類型而異，取決于合金組合、加工技術(shù)和所用測(cè)試類型。一些BMG的韌性與Ti合金相當(dāng)，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(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2a所示。
圖2.（a）激光增材制造制備的BMG應(yīng)力-應(yīng)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(jié)晶分?jǐn)?shù)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(dǎo)致在熱影響區(qū)（HAZ）中形成脆性金屬間層，這使得該技術(shù)制備的BMG比鑄造的BMG更脆。在BMG基體中引入堅(jiān)韌相以形成BMG復(fù)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(jié)晶分?jǐn)?shù)（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(jié)晶金屬合金（如Ti6Al4V）相比，它們具有高強(qiáng)度、相對(duì)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(yōu)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(duì)激光增材制造制備的BMG進(jìn)行了體外生物相容性研究，并將結(jié)果與鑄件BMG和Ti6Al4V合金進(jìn)行了比較。如圖3（b）所示，在96個(gè)孔板中接種的MG63細(xì)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(zhǎng)曲線。與316L不銹鋼相比，在SAOS2細(xì)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(xì)胞活力（圖3（c））。這證實(shí)了與結(jié)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(jié)晶Ti6Al4V相比，在激光增材制造制備的BMG上培養(yǎng)的A375細(xì)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(tài)Zr基BMG和Ti6Al4V基材上進(jìn)行的粘附測(cè)試顯示，第7天后每種材料表面都有致密層。這證實(shí)了激光增材制造制備的BMG 對(duì)成骨細(xì)胞生長(zhǎng)和粘附的支持，可與商業(yè)級(jí)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(xì)胞毒性測(cè)試；（c）激光增材制造制備的BMG與316l不銹鋼的生物相容性測(cè)試
圖4.細(xì)胞形態(tài)顯示（a）對(duì)照組（b）3D打印BMG和（c）Ti6Al4V合金接種24小時(shí)的細(xì)胞分布和密度
圖5.SEM顯微照片顯示MC3T3-E1細(xì)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(duì)照基板表面上的粘附和增殖
主要結(jié)論
如今，激光增材制造在制造復(fù)雜的幾何形狀、具有成本效益和患者特定的植入物方面發(fā)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(zhàn)。最常見的挑戰(zhàn)是部分結(jié)晶，這會(huì)改變BMG的初始特性，未設(shè)計(jì)的孔隙形成，這會(huì)降低BMG的質(zhì)量，以及微裂紋，這些裂紋從孔隙中傳播并導(dǎo)致隨后的植入失敗。為進(jìn)一步滿足各種臨床需求，未來對(duì)激光增材制造的研究應(yīng)集中在工藝參數(shù)優(yōu)化、激光增材制造加工BMG組分的后處理、BMG復(fù)合材料的激光增材制造、開發(fā)具有高玻璃成型能力的生物相容性合金和殘余應(yīng)力控制等方面。當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和未來的研究趨勢(shì)如圖6所示。
圖6.當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和未來的研究趨勢(shì)
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