医用多孔Ti及钛合金的国内研究现状

多孔Ti继承了钛合金较高的比刚度、比强度等物理化学特性、优异的耐腐蚀性和生物相容性,其独特的孔隙结构又赋予其超低密度和大比表面积等特点,是结构功能一体化的人体替代材料,近年来在临床医学领域得到了非常广泛的应用。众多研究和应用表明,多孔Ti的性能和功能强烈依赖于不同方法制备多孔Ti的孔隙结构。表面活化技术可显著提高多孔Ti的表面活性,缩短植入人体后的愈合期。本文针对多孔Ti的结构和性能特点,介绍了多孔Ti的常见制备方法,对多孔Ti的表面改性、生物活性与骨诱导性及国内的研究现状进行了总结,展望了生物医用多孔Ti及钛合金的发展。     

医用多孔钛制备研究进展

多孔钛有着良好的生物相容性、耐磨性和耐蚀性,其特有的孔隙结构不仅有利于成骨细胞的增殖和分化,还便于将其力学性能调整至与被替换的人体组织相匹配,现已成为重要的人体硬组织替代材料,得到越来越广泛的关注。为此,总结了国内外关于医用多孔钛制备的最新研究成果,介绍了近年来5种新兴的多孔钛制备方法——放电等离子烧结法、带有空间支架的粉末冶金法、选择性激光熔化法、电子束熔融法和激光金属沉积法,讨论了不同制备方法对材料表面性能和力学性能的影响,并对多孔钛用作生物植入物产品的发展方向进行了展望。     

钛和钛合金生物活化研究现状

金属钛及其合金在人体硬组织替换中具有广泛的应用。为改善其表面性能，使其具有表面生物活性，研究发展了多种生物活化方法。包括物理法、化学法和电化学法3大类。本文对钛及钛合金种植体的各种表面活化方法进行了综述。阐述了各种方法进行钛及钛合金表面活化的工艺过程及其活化机理，分别指出了各种方法的优缺点。与物理法相比，化学法具有设备和操作简单、易形成均匀涂层、结构和成分与自然骨相似等优点。对化学法，还需要进一步提高效率，提高涂层与基体之间的结合强度，并对其长期植入效果及其活化机理进行深入研究。     

粉末冶金多孔钛表面生物活化的研究

采用粉末冶金法制备了具有适合人体组织长入孔径的多孔钛,并对其进行生物活化处理.利用EPMA、SEM、XRD等研究了不同预处理方法和浸泡时间对多孔钛表面羟基磷灰石(HA)的形貌及形成速度的影响.结果表明,多孔钛的表面以及孔的内表面上均有纳米晶TiO2生成,预钙化处理能够明显提高多孔钛表面生成羟基磷灰石的速率,促进HA的形核长大,预钙化后磷含量增加明显,验证了Na2HPO4在预处理中对多孔钛的活化是有利的.     

电子束选区熔化成形工艺与组织模拟

电子束选区熔化作为一种新型金属增材制造工艺具有能量利用率高、成形效率高、材料适应性广等优点,适用于钛合金、钛铝合金、高温合金等材料的成形加工,在航空航天、生物医疗等领域具有广泛应用前景.介绍了电子束选区熔化的技术原理,总结近年来国内外该技术的装备发展、工艺研究、材料开发及工艺仿真的研究现状与进展,并展望未来发展方向.     

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。     

多孔钛骨组织工程支架设计及孔结构表征

针对目前骨组织工程支架微孔结构难以准确设计制备的问题,提出了一种基于点云的参数化建模+3D打印新方法。通过提取cube(C)、diamond(D)、gyroid(G)3种结构的型面函数点云数据,完成对不同孔结构特征的参数化建模。通过对模型有限元力学分析,对不同孔结构特征的多孔钛骨组织支架进行力学设计与订制。借助激光选区熔融(SLM)3D打印技术,完成对不同孔特征的骨组织支架快速成型。对多孔钛骨组织支架进行了相关材料学表征,包括孔结构表征与力学性能测试。结果表明:参数化模型的快速成型制造,能够有效地设计制备钛合金骨组织工程支架的孔结构特性,且可有效设计订制支架的力学性能,从仿生的角度实现多孔钛合金骨组织工程支架生物学功能的设计优化。     

钛合金变形Gyroid单元梯度多孔结构设计与分析

研究一种具有径向和轴向孔径梯度的变形Gyroid单元多孔结构参数化设计方法,采用激光选区熔化成形(selective laser melting, SLM)技术,制备出孔隙率为60%和75%的钛合金变形Gyroid单元梯度多孔结构样件。使用有限元法(finiteelementmethod,FEM)对4组梯度多孔支架模型及2组均质模型进行静力学仿真分析,对制备的钛合金梯度多孔样件进行力学性能测试,并与已测试过的均质样件进行力学性能对比分析。有限元计算结果与力学性能试验结果共同表明：变形Gyroid单元多孔结构力学性能随孔隙率的升高而降低,孔隙率相同时,径向梯度多孔支架力学性能优于均质多孔支架,更适用于皮质骨的骨缺损修复,轴向梯度多孔支架力学性能相比均质多孔支架有所减弱,更适用于松质骨。     

激光成形制备生物医用钛合金材料研究进展

激光成形制造技术是在快速原型技术的基础上结合激光加工技术发展起来的一项高新制造技术.它能够通过不同的加工方式调整结构及功能零件的性能,满足复杂致密或者多孔钛合金生物医用材料的成形需求,实现医用钛合金零件的个性化设计和制备,因此在医用钛合金人工肢体和植入体领域方面具有巨大的应用潜力.目前在制备生物医用钛合金材料领域研究较多的激光成形制造技术主要有激光立体成形和选择性激光烧结/熔化.本文综述了这两种激光成形制造在生物医用钛及钛合金制备方面的应用情况和研究现状,并指出了该领域未来的发展趋势.     

国外生物医用钛合金的发展现状

综述了近年来国外在生物医用钛及钛合金方面的研究与开发现状。为了取代普遍使用的Ti-6Al-4V合金,研发了多种无毒无敏感性元素、低弹性模量、高力学性能的新型β型钛合金;采用多孔技术并调节孔隙率,使材料的弹性模量与人体骨骼基本相当,通过将聚合物渗入到多孔钛的方法弥补多孔钛强度的降低,并使材料具有更好的生物相容性;为适应矫形外科领域的需求,开发了多孔TiNi超弹性形状记忆合金,从而克服了骨与植入体之间结合力弱以及弹性模量不匹配的弊端。此外,研发了多种不含毒性和过敏性元素的β型超弹性形状记忆钛合金,可以替代TiNi合金而更安全地应用于医学领域;开发了多种钛的表面改性技术,通过改性层的沉积及表面硬化使植入体的生物相容性和抗磨损性得到提高。     

生物医用钛合金的研究进展

钛合金具有较低的弹性模量、优异的耐腐蚀性能和生物相容性,是理想的生物医用材料.综述了医用钛合金的发展过程及新型医用β钛合金的研究现状,以及开发的新合金系列.目前开发的医用钛合金中,Ti-35Nb-7Zr-5Ta和Ti-29Nb-13Ta-7.1Zr合金的弹性模量为55 GPa,与致密骨的弹性模量很接近,与人体骨有较好的...     

国内阻燃钛合金工程化技术研究进展

阻燃钛合金的研制是防止"钛火"事故的最直接的方法。美国、英国和俄罗斯等均在积极开展阻燃钛合金的阻燃机理及其工程化技术研究,我国阻燃钛合金的基础研究起步较早,但在工程化技术开发及应用方面停滞多年,导致被发达国家拉开差距。近五年来,在材料研制单位和应用研究单位的共同努力下,Ti-V-Cr系阻燃钛合金工程化技术取得了显著进步。本文主要综述了近几年来国内阻燃钛合金工程化技术研究的最新进展;重点介绍了Ti40和WSTi3515S合金大型铸锭、大棒材及大尺寸板坯和环锻件的研制情况,并介绍了阻燃钛合金机械加工技术和摩擦点燃阻燃性能评价方法,最后对我国阻燃钛合金未来发展进行了展望。     

生物医用植入钛及钛合金的力学性能研究及进展

生物医用植入纯钛具有低密度、优越的耐蚀性、无致敏性和良好的生物相容性，而医用植入钛合金还具有高比强度、较低的弹性模量及易加工等优良特点。所以生物医用植入钛及钛合金已成为外科植入件优选的替代材料。本文重点介绍了人体硬组织修复与替换材料新型钛合金的生物相容性、力学性能、合金添加元素对力学性能的影响和最新研究进展，并指出了未来研究的发展方向。     

激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展

激光选区熔化(SLM)技术与激光熔化沉积(LMD)技术在航空航天、生物医疗等领域的应用具有巨大潜力,但由于成形的Ti6Al4V合金构件存在较差的表面质量、较大的残余应力以及内部孔洞等问题,影响了构件的力学性能,从而制约了其大规模的应用。针对这一现状,首先概述了激光选区熔化技术与激光熔化沉积技术的制造原理,比较了2种增材制造技术的成形参数及其特点,并分析了2种不同成形技术的自身优势以及适用场合。其次,从2种增材制造技术成形钛合金的工艺参数入手,综述了激光功率、扫描速度、激光扫描间距、铺粉厚度、粉床温度等参数对SLM工艺成形钛合金的影响,以及激光功率、扫描速度、送粉速率等参数对LMD工艺成形钛合金的影响。发现成形工艺参数直接影响了粉末熔化程度、熔合质量和成形显微结构,从而影响成形件的组织与力学性能。此外,综述了不同的扫描策略对两种增材制造技术成形钛合金的表面质量与力学性能的影响,可以发现在不同扫描策略下同一试样表面的不同区域表面质量、残余应力以及抗拉强度存在较大差异,同一扫描策略下试样的不同表面之间也存在各向异性。最后,探讨了不同热处理工艺对钛合金微观组织和力学性能的影响,通过合适的热处理能够降低成形构件应力,并调控组织相变和性能。     

Additive manufacturing technologies of porous metal implants

Biomedical metal materials with good corrosion resistance and mechanical properties are widely used in orthopedic surgery and dental implant materials,but they can easily cause stress shielding due to the significant difference in elastic modulus between the implant and human bones.The elastic modulus of porous metals is lower than that of dense metals.Therefore,it is possible to adjust the pore parameters to make the elastic modulus of porous metals match or be comparable with that of the bone tissue.At the same time,the open porous metals with pores connected to each other could provide the structural condition for bone ingrowth,which is helpful in strengthening the biological combination of bone tissue with the implants.Therefore,the preparation technologies of porous metal implants and related research have been drawing more and more attention due to the excellent features of porous metals.Selective laser melting（SLM）and electron beam melting technology（EBM）are important research fields of additive manufacturing.They have the advantages of directly forming arbitrarily complex shaped metal parts which are suitable for the preparation of porous metal implants with complex shape and fine structure.As new manufacturing technologies,the applications of SLM and EBM for porous metal implants have just begun.This paper aims to understand the technology status of SLM and EBM,the research progress of porous metal implants preparation by using SLM and EBM,and the biological compatibility of the materials,individual design and manufacturing requirements.The existing problems and future research directions for porous metal implants prepared by SLM and EBM methods are discussed in the last paragraph.     

SLM制备径向梯度多孔钛/钽及其表征研究

利用增材制造技术制作仿天然骨的径向梯度多孔钛/钽骨科植入物具有广阔的前景。基于三周期极小曲面（triply minimal surfaces,TPMS）建模法建立了平均孔隙率为70%的圆柱型径向梯度孔隙结构,孔隙率由中轴线（90%）向圆周面（30%）逐渐降低。利用激光选区熔化(Selected Laser Melting, SLM)工艺制作径向梯度多孔钛/钽。光学显微镜,扫描电镜,Micro-CT检测结果共同显示,SLM径向梯度多孔钛/钽的孔隙结构与设计特征一致。SLM工艺制作的径向梯度多孔钛/钽的孔隙率分别为73.18%与68.18%。力学测试结果表明,梯度多孔钛/钽的弹性模量分别为3.96±0.19GPa与3.47±0.25GPa,抗压强度分别为90.83±3.35MPa与93.27±1.24MPa。梯度多孔钛/钽的弹性模量与抗压强度分别显著高于均匀多孔钛/钽（孔隙率为70.11%的均匀多孔钛弹性模量为2.34±0.48GPa,抗压强度为67.63±1.33MPa,孔隙率为65.39%的均匀多孔钽弹性模量为1.69±0.49GPa,抗压强度为68.56±0.41MPa）。体外细胞相容性实验证明,径向梯度多孔钛/钽均具有良好的生物相容性,适合间充质干细胞与肌肉细胞的粘附生长。SLM工艺制作的径向梯度多孔钛/钽比均匀多孔钛/钽具有与天然骨组织更相近的结构与性能,是理想的骨缺损修复替代物。     

多孔钛合金拓扑优化设计及性能研究

为了得到良好力学性能和高渗透性的钛合金多孔结构,需要在多孔结构的孔隙率与其强度之间保持权衡。以人体膝关节胫骨假体为研究对象,首先,根据胫骨受力状态,采用拓扑优化设计并重构不同载荷工况下的抗压、抗剪单胞结构(TO-P1、TO-P2、TO-S1、TO-S2),与几种常见的基本单胞结构(BCC、FCC、RDC、DCC)进行研究比较;其次,通过对不同类型多孔钛合金进行压缩、剪切性能仿真,研究不同拓扑形态的多孔钛合金关于抗压、抗剪的力学性能,并采用SLM技术成型多孔钛合金压缩试件,验证了仿真分析的有效性;最后,选择力学性能较优的4种多孔钛合金进行渗透性分析。结果表明,TO-S2结构的抗压、抗剪力学性能和渗透性能最为出色,适合作为压剪载荷类植入物的多孔结构。     

钛合金在航天飞行器上的应用和发展

主要介绍了高强韧钛合金、高温钛合金、低温钛合金和铸造钛合金及钛合金的先进成形技术在航天色行器上的应用,指出了钛合金发展现状和趋势。其中对粉末冶金技术和超塑成形／扩散连接（SPF／DB）技术做了较详细的介绍。重点介绍了美国和俄罗斯的粉末冶金技术发展现状和我国粉末钛合金技术在多种型号产品研制中的应用情况。同时指出超塑成形／扩散连接新技术为克服钛合金成形昂贵又难以加工而受到限制的问题提供了新途径。     

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。