3D打印医用钛合金多孔材料力学性能研究进展

钛合金多孔材料具有与人体骨匹配的弹性模量,可有效解决金属植入物与人体骨弹性错配;其内部存在的大量孔隙有利于周围细胞的长入和新骨的生长,从而促进骨组织形成。近年来,增材制造(3D打印)技术被用于钛合金多孔材料制备,该方法可以精确控制孔隙参数,并且克服了因金属高熔点造成的制备困难。本文综述了作者团队在3D打印医用Ti-6Al-4V、纯Ti以及低模量钛合金多孔材料组织及力学性能的研究结果。对于Ti-6Al-4V两相合金,其疲劳性能受多孔结构设计和多种后处理的影响。纯Ti多孔材料较Ti-6Al-4V更优的疲劳寿命源于其更好的塑性和形变孪晶的应变硬化效应。低模量Ti2448合金的优异疲劳寿命则源于其超弹性提高裂纹萌生寿命,高韧性提高裂纹扩展寿命。最后展望了复杂生理环境腐蚀疲劳性能、多孔材料表面生物活化处理和新型医用金属体系多孔材料等发展方向。     

新型TiNbTaZr合金的生物腐蚀性和细胞毒性(英文)

通过真空自耗电弧炉开发一种新型β钛合金Ti35Nb2Ta3Zr,其弹性模量仅为48GPa,探讨该合金的耐腐蚀性能和细胞毒性。在Ringer模拟体液中,通过测量开路电位、极化阻抗谱和极化曲线发现Ti35Nb2Ta3Zr的腐蚀性优于Ti6Al4V和Ti。细胞毒性试验证明Ti35Nb2Ta3Zr的生物相容性与目前临床常用的Ti6Al4V和Ti相当。因此,该新型β钛合金Ti35Nb2Ta3Zr具有良好的耐腐蚀性和生物相容性,未来作为生物材料具有广阔前景。     

钨短钎维增强Ti-6Al-4V合金的性能

近年来 ,人们广泛研究了多种用途的新型生物结构材料 ,其关注点放在钛合金上。对生物钛合金的研发有 2个目的 :其一 ,研制具有优异细胞相容性的无钒铝钛合金 ;其二 ,研制与骨骼模量相当的钛合金。日本学者Koganemarn研究了钨短纤维增强Ti -6Al-4V材料的拉伸、抗蚀和细胞相容性 ,总结了规律 ,并对该材料进行了评价。采用粉末冶金技术 ,由Ti -6Al -4V粉末和钨短纤维经热等静压制备成 6-4Ti-W复合材料。经观察 ,6-4Ti -W复合材料的基体为α +β晶粒 ,比较细小 ;钨纤分布均匀 ,在基体 /钨纤维界面处形成一层扩散层 ,是钨扩散所致。将Ti -6…     

粉末冶金法制备Ti6Al4V/20CoCrMo与多孔Ti6Al4V双层生物医用材料的设计与表征

制备Ti6Al4V/20CoCrMo与多孔Ti6Al4V生物医用双层复合材料。采用传统粉末冶金技术,以半固态烧结为固结步骤,制备具有致密Ti6Al4V/20CoCrMo表层和多孔Ti6Al4V底层的双层样品,以更好地模拟天然骨。采用膨胀法研究双层试样的致密化行为,通过扫描电镜(SEM)和显微计算机断层成像(CMT)观察其显微组织,并分别通过压缩试验和动电位试验评价其力学性能和耐腐蚀性能。结果表明,在界面对致密化无负面影响的情况下,可得到无裂纹的双层样品。多孔层的渗透率值在较低的人体骨骼的渗透率范围内。样品的压缩特性由Ti6Al4V多孔层决定。此外,Ti6Al4V/20CoCrMo的耐腐蚀性能优于Ti6Al4V的耐腐蚀性能,提高双层样品的耐腐蚀性。研究粉末冶金法制备具有致密Ti6Al4V/20CoCrMo表层和多孔Ti6Al4V底层的双层结构材料,有助于生产定制化、具有良好磨损性能和体内寿命的植入物。     

新型外科植入用钛合金TZNT的生物相容性

制备一种新型外科植入用钛合金Ti12.5Zr2.5Nb2.5Ta(TZNT),通过溶血试验、细胞毒性试验和皮下埋植试验系统评价该合金的生物相容性,并与3种标准外科植入用钛合金Ti6Al4V、Ti6Al7Nb以及TA2进行对比。该合金经完全退火工艺处理后(700℃,45min,AC),主要由大量位向不同的片层状α相簇和少量位于α片间的β相组成。溶血试验结果表明:TZNT的溶血率为0.683%(远低于5%),因此不会引起急性溶血。细胞毒性试验结果表明:TZNT、Ti6Al4V和Ti6Al7Nb在3个时间组(2、4和6d)的相对细胞增殖率均不低于100%,细胞毒性等级评定为0级,即对细胞不产生毒性。皮下埋植试验结果表明:与Ti6Al4V和Ti6Al7Nb相比,TZNT和TA2植入白鼠体内4周和8周后,无论是炎细胞密度还是植入物周围的纤维膜厚度均有所降低,TZNT合金植入4周后,组织良好,包绕材料的纤维膜较疏松且与组织间的界限不清;随着植入时间延长至8周,炎细胞密度进一步减少,纤维膜也变得更薄,更致密。综合评价结果表明该新型合金具有良好的生物相容性。     

Ti6Al4V表面生物功能纯Mg薄膜制备及性能研究

利用多弧离子镀技术在Ti6Al4V表面沉积纯Mg薄膜,研究了工作气压对纯Mg薄膜表面质量及性能的影响,研究了纯Mg薄膜的体外降解等性能、抗菌性及生物安全性能。结果表明:多弧离子镀方法可将纯Mg薄膜制备于钛合金表面,薄膜颗粒均匀致密,未见明显缺陷。体外浸泡实验结果表明:由于Ti6Al4V与Mg发生电偶腐蚀而使Mg薄膜迅速降解,1周时间内薄膜基本降解完毕。抗菌实验结果表明:纯Mg薄膜样品对金黄色葡萄球菌具有强烈的杀灭作用,表现出良好的抗细菌感染功能。细胞毒性实验结果表明:纯Mg薄膜可促进骨髓间充质干细胞(r BMSCs)的增殖。     

厚度和层间界面对Ti6Al4V钛合金抗弹性能的影响

开展了Ti6Al4V钛合金的抗弹性能研究,通过对厚度为10～30 mm的均质Ti6Al4V钛合金靶板和总厚度为30 mm的(15+15)mm双层Ti6Al4V钛合金靶板的终点弹道侵彻实验,研究了厚度和层间界面对Ti6Al4V钛合金抗弹性能的影响规律。结果表明:Ti6Al4V钛合金的抗弹性能随着厚度的增加逐渐提高;在靶板厚度由15 mm增加到20 mm时,其抗弹性能出现了陡增,这与其损伤模式由脆性冲塞破坏转变为塑性扩孔破坏有关;层间界面不利于Ti6Al4V钛合金抗弹性能的提高,厚度为30mm的单层均质Ti6Al4V钛合金靶板的抗弹性能优于总厚度为30mm的(15+15)mm双层Ti6Al4V钛合金靶板,这与双层靶板的层间界面几乎无剪切强度有关。     

钽涂层多孔钛合金支架的制备与表征

钽金属是一种理想的医用金属材料,能够与人体软/硬组织发生整合。利用化学气相沉积方法,在可控多孔结构的Ti6Al4V合金支架表面沉积涂覆钽金属涂层,使其同时具备理想的三维孔隙结构和力学相容性,以及钽金属优异的生物学性能。研究结果显示,多孔钛合金支架表面涂层前后色泽发生明显变化,涂层后支架呈现钽金属色泽。扫描电镜和XRD分析进一步证明了多孔钛合金支架表面沉积物为钽金属。与美国Zimmer公司生产的多孔钽小梁金属相比,钽涂层多孔钛合金支架具备与人体皮质骨更相似的弹性模量和抗压强度,是一种理想的骨修复替代物。     

医用Ti6Al4V合金表面改性研究进展

Ti6Al4V合金因具有优异的力学性能和良好的生物相容性而被广泛应用于人体硬组织替代物和修复物领域。由于合金本身耐摩擦磨损性差,不具备生物活性等缺点,因此对Ti6Al4V合金进行表面改性具有重要意义。本文介绍对Ti6Al4V合金进行改性的有效方法,综述了其表面改性的研究进展,展望了表面改性的发展趋势。     

3D凝胶打印制备用于松质骨工程的TCP多孔支架（英文）

通过3D凝胶打印(3DGP)技术制备了高强度和高孔隙率的磷酸三钙(TCP)多孔支架,通过扫描电子显微镜(SEM)观察支架的微观形态,并通过初步的动物实验评估了多孔支架的生物相容性。研究结果表明,适合打印的浆料固含量为34%(体积分数),打印支架在长度、宽度和高度方向上的收缩率分别为11.44%±0.20%,9.41%±0.23%和10.57%±0.20%。当支架在1150℃下烧结2 h后,支架的抗压强度为22.6±0.12 MPa,孔隙率约为62.1%。初步的动物植入实验显示多孔TCP支架在兔股骨髁缺损处未引起明显的排斥反应,并在骨与支架的连接处未见炎症反应或慢性炎症反应。通过3DGP技术制备的多孔TCP支架具有良好的生物相容性和力学性能,有望满足松质骨的植入要求,为下一步的实验研究打下基础。     

选择性激光熔化成形自生长多孔支架的建模与实验研究

3D打印技术制备医用生物多孔支架是目前最有前景和吸引力的生物医学应用之一。采用建模软件(C4D)通过随机域建立自生长多孔结构支架,最大程度地模拟松质骨的形态和结构。通过选择性激光熔化技术获得默认尺寸120%、160%、200%和240%比例的的三维结构模型。通过金相分析、热处理、硬度测试和压缩实验,对自生长多孔支架试样进行微观组织和力学性能分析。实验研究发现,自生长多孔支架在200%比例的孔径下,力学性能高于其它孔径比例的自生长多孔支架和天然骨。自生长多孔支架的表面形态和结构与人类松质骨相似,具备较高的细胞曲率驱动效应,有利于成骨细胞的富集,因此,具备更适合修复人体患病骨骼的可能性。     

不同热处理工艺对Ti6Al4V钛合金微观结构和力学性能影响

通过对Ti6Al4V钛合金进行不同工艺的热处理,分析了不同工艺处理后的显微组织,进行了拉伸试验、示波冲击试验测试。研究固溶时效处理对Ti6Al4V钛合金显微组织、力学性能和冲击韧性的影响。利用金相显微镜、环境扫描电镜（ESEM）进一步分析了钛合金的组织、冲击断口特征与力学性能间的关系。结果表明随固溶温度增加,钛合金屈服强度和抗拉强度得到显著提高,塑韧性先增加后降低。优化热处理工艺后,Ti6Al4V钛合金经960 ℃ WQ和500℃ × 4 h AC处理,获得优良综合性能,σ0.2为1050MPa,σb为1120 MPa,Ak为46.22 J。钛合金固溶时效后的组织由β基体和析出的α相组成,片层状β相和小针丛状α相组织提高合金综合性能。     

3D打印医用钛合金研究进展

钛合金拥有较高的比强度、较好的耐蚀性能与生物相容性,其在医用植入物的应用市场前景十分引人关注。但传统医用钛合金植入物常采取铸造的生产方式,产品种类单一,无法满足"精准医疗"的诊疗目标。3D打印技术以其丰富的加工方式在医用钛合金方面应用优势逐渐凸显。本文介绍多孔医用钛合金的发展历史及3D打印钛合金的制造现状,分析现有3D打印医用钛合金的技术壁垒,并为未来3D打印医用钛合金的发展方向提供建议。     

Ti-15Zr-4Nb-4Ta合金的牙铸件性能

纯钛及钛合金因其优异的耐蚀性、生物相容性用于生物材料。目前广泛应用于牙科的材料为Ti -6Al -4V合金。日本先进工业科技研究院研制出一种比Ti -6Al -4V合金具有更好的生物相容性的新型 (α +β)钛合金 ,即Ti-15Zr -4Nb -4Ta合金。合金试样　用真空电弧炉熔炼的商业纯钛 (TA2 )、Ti-6Al-4V合金、Ti -15Zr -4Nb -4Ta合金 ,合金成分符合日本工业标准 (JIST740 1) ,铸锭经 β锻造及 (α -β)锻造后 ,得到直径为 45mm的棒材 ,将棒材表面的氧化皮除去 ,切下若干42mm×13mm的棒材做为试样备用。牙铸件　使用吸压型铸造机及T型熔模机…     

3D凝胶打印制备用于松质骨工程的TCP多孔支架

通过3D凝胶打印（3DGP）技术制备了高强度和高孔隙率的磷酸三钙（TCP）多孔支架,通过扫描电子显微镜（SEM）观察支架的微观形态,并通过初步的动物实验评估了多孔支架的生物相容性。研究结果表明,适合打印的浆料固含量为34%（体积分数）,打印支架在长度、宽度和高度方向上的收缩率分别为11.44%±0.20%,9.41%±0.23%和10.57%±0.20%。当支架在1150 ℃下烧结2 h后,支架的抗压强度为22.6±0.12 MPa,孔隙率约为62.1%。初步的动物植入实验显示多孔TCP支架在兔股骨髁缺损处未引起明显的排斥反应,并在骨与支架的连接处未见炎症反应或慢性炎症反应。通过3DGP技术制备的多孔TCP支架具有良好的生物相容性和力学性能,有望满足松质骨的植入要求,为下一步的实验研究打下基础。     

Ti-29Nb-13Ta-4．6Zr合金碱处理表面生物活性陶瓷改性

钛合金作为外科植入材料是近年研究和应用的热点,但纯钛的力学性能较差,Ti-6Al—4V ELI合金含有毒性元素V,均不是理想的材料。最近,日本开发的Ti-29Nb-13Ta-4．6Zr（TNTZ）β钛合金,其弹性模量较低,可通过机械热加工控制其力学性能,在医用领域有巨大的应用前景。但该合金的生物相容性还稍有不足,直接与骨结合的生物活性很差,因此有必要对其进行表面改性处理研究。     

不同热处理工艺对Ti6Al4V钛合金微观结构和力学性能影响（英文）

通过对Ti6Al4V钛合金进行不同工艺的热处理,分析了不同工艺处理后的显微组织,进行了拉伸试验、示波冲击试验测试。研究固溶时效处理对Ti6Al4V钛合金显微组织、力学性能和冲击韧性的影响。利用金相显微镜、环境扫描电镜(ESEM)进一步分析了钛合金的组织、冲击断口特征与力学性能间的关系。结果表明,随固溶温度升高,钛合金屈服强度和抗拉强度得到显著提高,塑韧性先增加后降低。优化热处理工艺后,Ti6Al4V钛合金经960℃/1 h+WQ和500℃/4 h+AC处理,获得优良综合性能,σ_(0.2)为1050 MPa,σ_b为1120 MPa,A_k为46.22 J·cm~(-2)。钛合金固溶时效后的组织由β基体和析出的α相组成,片层状β相和小针丛状α相组织能提高合金综合性能。     

TC4钛合金汽车连杆的精密模锻

对两种不含钒元素的新型钛合金(Ti75合金，TiZr合金)及Ti6Al4V合金的腐蚀行为进行了研究，尤其是在体外将0．9％NaCl溶液、细胞培养液及活性细胞等作为腐蚀液，比较了几种钛合金的腐蚀行为。结果表明几种钛合金在自腐蚀电位(Er)、腐蚀电位(Ec)和维钝电流密度(Ip)等方面均表现出良好的电化学行为。其生物腐蚀行为在接近人体生理环境的细胞培养液及活性细胞环境中，与在0．9％NaCl溶液中有很大差异。Ti75合金与TiZr合金在生物环境中比Ti6A14V合金具有更高的稳定性。     

Ti6Al4V钛合金表面双层辉光等离子W-Mo共渗及其腐蚀磨损性能研究

为了改善TC4的腐蚀磨损性能,采用双层辉光等离子表面冶金技术对Ti6Al4V钛合金进行W-Mo共渗,并对其腐蚀磨损性能进行研究。结果表明:在Ti6Al4V钛合金表面W-Mo共渗可形成均匀的、由沉积层和扩散层构成的W-Mo改性层;该改性层与Ti6Al4V钛合金基体相比,在空气中,5%H2SO4(质量分数)溶液和5%NaCl(质量分数)溶液中的摩擦系数均有所降低,磨损形貌得到改善,在5%H2SO4和5%NaCl溶液中的磨损量更是显著减小。结果表明,在Ti6Al4V钛合金表面W-Mo共渗可显著提高其耐腐蚀磨损性能。     

医用金属材料离子释放机制、致病机理及防护

结合近年来国内外医用钛合金等金属材料在生物体和人体临床应用研究成果,研究了人体植入物等医用金属材料中Ni、Al、V等有害离子的释放机制、致病机理及防护(涂层)方法。系统分析了常用医用金属材料Ti6Al4V和Ti Ni形状记忆合金等钛合金在腐蚀等作用下有害离子的释放机制,有害离子及其形成化合物对人体的毒性作用,和常用表面改性技术制备涂层对于有害离子的抑制和防护作用。研究结果表明,近年来发展起来的表面改性技术显著提高钛合金耐蚀性,可以有效抑制有害离子的释放,提高钛合金的生物相容性。