Ti-13Nb-13Zr表面多孔梯度合金的制备及性能研究

利用放电等离子烧结（SPS）技术制备了中间致密、表面多孔的Ti-13Nb-13Zr梯度合金,研究了烧结温度（950~1200 ℃）对梯度合金组织演变、界面结合、表面孔隙特征、力学及体外矿化性能的影响。结果表明：随烧结温度的逐步上升,梯度合金中α-Ti相减少,β-Ti相增多,组织逐渐连续均匀分布,晶粒得到细化,中间基体与多孔层界面呈连续过渡且形成良好的冶金结合,表面多孔层孔隙率下降而平均孔径减小;梯度合金抗压强度值随烧结温度升高呈先增大后降低趋势,而弹性模量值变化不大;综合分析,烧结温度为1150 ℃时,制备的表面多孔梯度合金不仅具有良好的力学性能（抗压强度893MPa,弹性模量16GPa）,而且具有适宜的孔隙参数（孔隙率34.7%,平均孔径340.9μm）及优异的类骨磷灰石形成能力与体外矿化性能。     

稀土LaF3增强型梯度结构多孔钛及其力学性能

采用粉末冶金法制备外层高孔隙率/内层低孔隙率的梯度结构多孔钛,以解决单层多孔钛孔隙率高强度低的问题。梯度双层多孔钛内层孔隙率约为30%,外层孔隙率可达65%以上,孔径范围在100~255μm之间,内/外层孔径和孔隙率呈梯度分布,其抗压强度和弹性模量分别为117.50~143.55MPa和1.95~3.08GPa。在梯度多孔钛外层添加稀土氟化镧进一步提高了其力学性能。当添加量为0.05%(质量分数)时,其抗压强度和弹性模量最高,可达到213.76MPa和3.38GPa。     

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。     

SPS制备NiTi表面多孔梯度合金的组织演变与力学性能研究

利用放电等离子烧结技术制备了基体为NiTi、表面为多孔NiTi的生物医用梯度合金,研究了烧结温度对梯度合金的微观结构、显微组织演变、表面孔隙特征及力学性能的影响。结果表明:随着烧结温度升高,合金由Ti、Ni、Ti_2Ni、Ni_3Ti混合相逐渐演变为以NiTi相为主及少量残留Ti_2Ni、Ni_3Ti相组成的组织,基体与多孔层界面处裂纹及缺陷逐渐减少并形成稳定的冶金结合,内外层晶粒不断细化,但过高的烧结温度会导致多孔层孔隙融合连通,使得梯度结构遭到破坏,同时表面多孔层孔隙率与平均孔径呈缓慢减小趋势;合金压缩弹性模量随烧结温度升高变化不明显,而抗压强度呈显著增大趋势。与块体NiTi合金及多孔NiTi合金相比,所制备梯度合金不仅具有良好的界面结合和表层孔隙特征、较高的抗压强度及较低的弹性模量,还具有优异的超弹性性能。     

退火处理对梯度多孔Ti-6Al-4V合金组织和力学性能的影响

利用电子束逐层熔化(Additive manufacture-electron beam melting, AM-EBM)快速成型技术制备了孔隙率分层状梯度分布的Ti-6Al-4V合金,研究了退火处理对梯度多孔材料组织和力学性能的影响。结果表明,该梯度多孔材料孔壁组织为α’片层组织,片层之间有极少量的β相;其有效抗压强度、弹性模量为各均匀组分强度与模量的权重平均值。梯度多孔材料各层界面处容易产生应力不均,使其强度降低。在950_oC退火处理1h后,α相片层明显粗化,孔梁塑性提高,但有效弹性模量和抗压强度略有降低,优化了层状多孔材料的力学性质。     

Mo-MoSi_2功能梯度材料的三点弯曲行为

采用渗硅工艺制备了Mo-MoSi2功能梯度材料,并利用扫描电镜、X射线衍射以及弯曲强度试验观察并分析Mo-MoSi2功能梯度材料的微观结构和断裂行为。结果表明,梯度材料由表及里的结构变化形式为表层MoSi2晶粒(尺寸为6.8μm)+少量Si→MoSi2柱状晶粒(长度为15μm)→过渡层(2μm)→Mo基体。该Mo-MoSi2功能梯度材料具有组织致密,MoSi2晶粒细小,梯度层与Mo基体界面结合良好等特点。Mo-MoSi2梯度材料具有良好的弯曲性能,弯曲强度为1025 MPa,断裂挠度为1.87 mm,弹性模量为26.6 GPa。在保证Mo基体强度的同时,MoSi2功能梯度涂层显著提高了Mo基体塑性性能。Mo-MoSi2梯度材料的弯曲断裂形式主要为沿晶断裂和穿晶断裂两种形式。过渡层和MoSi2涂层形成是Mo-MoSi2功能梯度材料断裂韧性提高的主要原因。     

等离子熔射制备梯度功能MOLB式SOFC及其复阻抗分析

采用一种融合功能梯度材料设计思想与快速原型制造等离子熔射与机器人数字化成形技术于一体的新方法,借助自主研发的梯度功能送粉系统,多层连续熔射快速制造立体结构MOLB(mono-block layer built)式固体氧化物燃料电池SOFC(solid oxide fuel cell)三合一电极PEN(positive electrolyte negative)部件.分析了PEN部件的成分、微观组织和阳极、阴极孔隙率的连续梯度变化规律,并利用复阻抗技术对其进行导电性能测试.结果表明,采用该方法能够获得含有成分、组织呈连续梯度变化的功能涂层的SOFC 核心部件PEN;与不含有梯度层的PEN相比,不仅提高电极与电解质间的匹配性,改善电极孔隙率及其分布;而且大幅度减小功能梯度PEN部件界面接触电阻,有助于提高SOFC的电性能.     

SPS烧结温度对NiTi/表面多孔Ti梯度合金组织和性能的影响

利用放电等离子烧结技术制备NiTi/表面多孔Ti梯度合金,研究不同烧结温度对梯度合金微观组织、表面孔隙特征、力学性能及体外生物活性的影响及机理。结果表明:随着烧结温度的升高,梯度合金组织由NiTi、α-Ti、Ni、Ti_2Ni、Ni_3Ti混合相逐渐转变为单一NiTi和α-Ti相,内外层界面形成良好冶金结合,表面孔隙率和平均孔径呈缓慢减小趋势;同时抗压强度值快速增大而弹性模量值变化不大;1000℃制备的梯度合金不仅具有良好的表面孔隙特征(孔隙率35.8%、平均孔径423μm)、较高的抗压强度(632 MPa)、较低的弹性模量(9 GPa)及优异的超弹性行为(超弹性恢复应变4%),而且体外生物活性显著提高。     

钛合金植入物梯度孔结构设计及其力学性能

植入物多孔结构的设计研究多以规则孔结构为主,而少有针对梯度孔结构设计。本文提出平面center及空间sphere两种梯度圆孔设计方法,实现完成对某一平面center梯度孔的植入物结构设计,采用激光选区熔化技术(Selective Laser Melting, SLM)制备出孔隙率为75%的医用钛合金Ti6Al4V梯度孔与规则孔结构植入物样件,进行微观材料表征和力学性能测试,得到相关力学数据。结果表明：该种梯度孔结构的力学性能优于规则孔,在孔隙率为75%的条件下,梯度孔样件的平均弹性模量较规则孔高36.25%,平均抗压强度提高29.9%。     

退火处理对梯度多孔Ti-6Al-4V合金组织及力学性能的影响

利用电子束逐层熔化(Additive manufacture-electron beam melting,AM-EBM)快速成型技术制备了孔型结构沿水平方向呈梯度分布的Ti-6Al-4V合金,研究了退火处理对梯度多孔材料组织以及力学性能的影响。结果表明,该梯度多孔材料孔壁组织为α’片层组织,片层之间有少量的β相;其有效抗压强度、弹性模量为各均匀组分强度与模量的权重平均值。梯度多孔材料各层界面处容易产生应力不均,导致强度降低。在950℃退火处理1 h后,α相片层明显粗化,孔梁塑性提高,但有效弹性模量和抗压强度略有降低。     

Preparation of porous Ta-10%Nb alloy scaffold and its in vitro biocompatibility evaluation using MC3T3-E1 cells

A highly porous Ta-10%Nb alloy was successfully prepared for tissue engineering via the methods of the sponge impregnation and sintering techniques. The porous Ta-10%Nb alloy offers the capability of processing a pore size of 300-600 μm, a porosity of (68.0±0.41)%, and open porosity of (93.5±2.6)%. The alloy also shows desirable mechanical properties similar to those of cancellous bone with the elastic modulus and the comprehensive strength of (2.54±0.5) GPa and (83.43±2.5) MPa, respectively. The morphology of the pores in the porous Ta-Nb alloy shows a good interconnected three-dimension (3D) network open cell structure. It is also found that the rat MC3T3-E1 cell can well adhere, grow and proliferate on the porous Ta-Nb alloy. The interaction of the porous alloy on cells is attributed to its desirable pore structure, porosity and the great surface area. The advanced mechanical and biocompatible properties of the porous alloy indicate that this material has promising potential applications in tissue engineering.     

基于TPMS结构的多孔钛制备与表征

多孔钛因具有与人体骨组织相近的弹性模量和允许骨长入的孔隙结构而备受关注。其孔隙结构特征不仅影响骨长入效果,而且决定了多孔钛的力学性能。通过三周期极小曲面(triply periodic minimal surfaces,TPMS)隐函数参数的精确调控可以构建出理想的孔隙结构模型。本实验针对TPMS模型中常用的G单元模型,研究了G单元模型隐函数参数对孔隙率、孔径、杆径等孔隙结构特征的影响规律,设计出了孔隙率约为77%,孔径分别为300(G300)、500(G500)微米的均质孔隙结构;模仿自然长骨径向梯度结构模型,构建了相应的G单元仿生梯度孔隙结构。采用选区激光熔化(SLM)增材制造技术制备了相应的多孔钛样件,利用数字显微镜和扫描电镜观测多孔钛的孔隙结构特征,发现SLM多孔钛实测孔隙率低于设计孔隙率,实测孔径小于设计值,实测杆径大于设计值。力学性能检测结果显示,G300和G500多孔钛弹性模量分别为2.04和3.12GPa,其最大抗压强度分别为63.5和103.5MPa,梯度孔隙结构多孔钛弹性模量和最大抗压强度分别为6.3 GPa和186.9 MPa。研究结果表明,G单元梯度孔隙结构多孔钛是一种理想的承重部位骨缺损修复体。     

Machining cancellous bone prior to prosthetic implantation

The structure of cancellous bone can be described as heterogeneous, and as such, is difficult to shape by cutting tools during clinical surgical practices. The structure of bone can have a devastating effect on the performance of the cutting tool unless it is coated with a hard-wearing, thin solid film. Here, the use of diamond-coated cutting tools to prepare bone for biomedical implants are investigated. This paper describes developments in the use of coated cutting tools for machining of cancellous bone and to prepare a nanostructured surface.     

Novel fabrication of forsterite scaffold with improved mechanical properties

In this study, the macroporous forsterite scaffolds with highly interconnected spherical pores, with sizes ranged from 50 to 200 μm have been successfully fabricated via gelcasting method. The crystallite size of the forsterite scaffolds was measured in the range 26-35 nm. Total porosity of different bodies sintered at different sintering temperatures was calculated in the range 81-86%, while open porosity ranges from 69 to 78%. The maximum values of compressive strength and elastic modulus of the prepared scaffolds were found to be about 2.43 MPa and 182 MPa, respectively, which are close to the lower limit of the compressive strength and elastic modulus of cancellous bone and the compressive strength is equal to the standard for a porous bioceramic bone implant (2.4 MPa). Transmission electron microscopy analyses showed that the particle sizes are smaller than 100 nm. In vitro test in the simulated body fluid proved the good bioactivity of the prepared scaffold. It seems that, the mentioned properties could make the forsterite scaffold appropriate for tissue engineering applications, but cell culture and in vivo tests are needed for more confidence.     

不同结构的牙种植体骨界面应力的有限元分析(英文)

用Ansys Workbench 10.0有限元软件研究静态加载下种植体结构、低模量层的模量和厚度对骨界面应力分布的影响。用CAD(Pro/E Widefire 2.0)软件建立颌骨和种植体的三维有限元模型,设置整体低弹性模量型(1号)、仿生型(2号)、松质骨区低模量型(3号)和全致密型(4号)。结果表明:种植体的结构影响骨界面应力分布,2号种植体在松质骨和根端区的界面最大应力均低于另外3种结构种植体的;2号种植体的低模量层模量的降低有利于松质骨区界面应力传递致周围骨质,增加低模量层厚度能降低松质骨区界面应力,使界面应力分布更趋均匀。仿生型2号种植体在界面应力传递致周围骨质方面优于其它3种结构种植体。     

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。     

骨微量元素掺杂对磷酸钙骨水泥水化性能的影响

在磷酸钙骨水泥中分别掺杂骨微量元素镁(Mg)、铁(Fe)、锌(Zn)、锶(Sr),考察掺杂离子种类、含量对骨水泥固化时间、羟基磷灰石(HAp)结构、晶形以及骨水泥的抗压强度和孔隙率的影响。结果表明:掺杂不同离子将使骨水泥的固化时间有不同程度的延长;同时,影响水化产物羟基磷灰石的晶体形态。Mg2+掺杂使水化产物HAp晶粒细化,呈板状形态;Sr2+掺杂可获得纳米级晶须,且晶须相互缠绕,二者均有利于材料力学性能的提高。而掺杂Fe3+和Zn2+的骨水泥,其孔隙率明显提高,有利于体液循环和提高材料的生物降解性能。     

可控多孔结构生物活性钛的制备及其体外细胞培养

采用电子束熔化（EBM）成形工艺,制造具有可控多孔结构的Ti6Al4V植入体,分析测试其微观孔隙结构特征、孔隙率以及力学性能。扫描电镜观测结果表明,所制备的钛合金植入体孔隙结构特征与设计结构相符合,证明EBM技术能够实现钛合金植入体孔隙结构的控制;测得多孔植入体的孔隙率为60.1%,相应的抗压强度为163 MPa,弹性模量为14 GPa,与人体骨组织弹性模量相近。利用改进的碱热处理方法进行表面改性,并浸泡在模拟体液中以诱导磷灰石的形成。体外细胞培养试验结果表明,培养7 d后成骨细胞在改性的试件表面大量粘附、生长、增殖     

选区激光熔化制备多孔结构的成形偏差及力学性能与压缩失效分析

因多孔结构轻质高强度、力学性能可调节的特点,被广泛用于骨骼医疗、航空航天等领域. 为了探索多孔结构选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)成形误差与压缩失效性能,以钻石型晶格和六孔开口球形两种多孔结构为例,采用理论预测与试验测试研究SLM制造多孔结构的压缩力学行为,使用ANSYS软件对所研究的多孔结构进行准静态压缩模拟,并对SLM成形的多孔结构进行单轴压缩试验,最后结合仿真和试验,观测和分析它们的变形过程和失效机制. 对比后发现数值设计的多孔结构尺寸与最终制造的结构存在偏差,导致力学性能理论值与试验值存在一定差异,但应力应变场变化规律一致. 试验结果表明,在孔隙率50% ~ 80%时,钻石型晶格结构屈服强度为31.85 ~ 182.13 MPa,弹性模量为1.45 ~ 2.30 GPa;六孔开口球形结构屈服强度为35.19 ~ 130.64 MPa,弹性模量为1.59 ~ 2.90 GPa,不同多孔结构随孔隙率的增大,力学性能变化趋势不一致.     

Structural and mechanical characteristics of porous 316L stainless steel fabricated by indirect selective laser sintering

Selective laser sintering (SLS) technique is capable of rapidly fabricating customized implants with porous structure. A simple encapsulation process was developed to coat 316L stainless steel (316L SS) powder with ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA). Subsequently, porous 316L SS was prepared by SLS preforming of EVA-coated metal powders, debinding and sintering in hydrogen atmosphere. The effects of processing parameters on pore characteristics and mechanical properties were analyzed. The results indicate that the porosity of green body mainly depends on laser energy density, while the pore features and mechanical properties of sintered specimens are largely dominated by sintering temperature. After sintering at 1100–1300 °C, the average pore size and porosity are 160–35 μm and 58–28%, respectively. In addition, the elastic modulus and compressive yield strength are 1.58–6.64 GPa and 15.5–52.8 MPa, respectively. It is revealed that the pore structural parameters and mechanical properties of the as-sintered porous 316L SS can be controlled readily to match with those of cancellous bone by modification of SLS processing parameters and subsequent sintering temperature.