鈦-鉭合金的激光粉末床熔合:生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的組成和設(shè)計

供稿人:梁智美、高琳
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

激光粉末床熔合(L-PBF)技術(shù)，又稱選擇性激光熔合(SLM)技術(shù)，由于其大規(guī)模定制的能力，引起了人們對開發(fā)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面的技術(shù)的興趣。在L-PBF用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的研究中，許多都將重點放在研究純鈦和鈦基合金的L-PBF上。

鉭由于其良好的生物相容性、耐腐蝕性和良好的機(jī)械性能，是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域鈦合金的理想選擇。但由于鉭、鈦在密度和熔點上的巨大差異，傳統(tǒng)的合金化過程很難將它們結(jié)合在一起，因此TiTa合金還沒有得到廣泛的應(yīng)用。有研究表明L-PBF能夠制造出TiTa合金，也有原位合金化和直接制造功能部件的潛力。

新加坡南洋理工大學(xué)以及澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織的研究人員采用L-PBF和原位合金化的方法，用0、10、30、50 wt.%的鉭制備了鈦鉭合金樣品。測定了合金的微觀結(jié)構(gòu)同時研究了合金的力學(xué)性能。為了確定這些合金作為生物材料的適用性，對其進(jìn)行了生物相容性的評估。

研究人員采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)、反向散射電子(BSE)探測器、電子背散射衍射(EBSD)和x射線衍射(XRD)相結(jié)合的方法測定了合金的微觀結(jié)構(gòu)。通過BSE和EBSD分析，研究人員測量并計算出了每個部位在基質(zhì)區(qū)域的平均板條/針狀寬度。

為了研究合金的力學(xué)性能，研究人員采用了拉伸試驗和維氏硬度試驗進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，Ti30Ta的模量最低，而抗拉強(qiáng)度(UTS)和屈服強(qiáng)度(YS)最高，為骨科應(yīng)用提供了最佳的力學(xué)性能。L-PBF生產(chǎn)的TiTa合金的拉伸性能如圖1所示。從BSE和EBSD分析可以看出，隨著Ta的加入，板條/針狀晶粒的平均尺寸減小。而通過維氏硬度試驗可以發(fā)現(xiàn)，Ta的加入細(xì)化了板條/針狀相的尺寸，使TiTa合金的強(qiáng)度能夠達(dá)到Ti30Ta的強(qiáng)度。

圖 1 不同鉭含量的鈦鉭合金的力學(xué)性能：(a)楊氏模量 (b)極限抗拉強(qiáng)度 (c)屈服強(qiáng)度 (d)延伸率

在生物相容性的評估測試中，研究人員使用了dsDNA微綠色法測定了CP Ti、Ti6Al4V和TiTa三種材料的細(xì)胞活力，通過方差分析，統(tǒng)計學(xué)上確定三種材料在三個時間點上的結(jié)果無顯著差異。圖2顯示出，在活死細(xì)胞檢驗中，幾乎沒有死亡細(xì)胞（其中活細(xì)胞顯示綠色熒光，死細(xì)胞顯示紅色熒光）。這表明，TiTa支架具有與CP Ti和Ti6Al4V類似的生物反應(yīng)，是一種潛在的生物相容性材料。

圖 2

本研究表明，L-PBF制備的多孔TiTa支架具有與Ti6Al4V和商業(yè)純鈦相近的生物學(xué)結(jié)果和可制造性，未來在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用上將具有很大的潛力。

參考文獻(xiàn)：
Sheng Huang,Swee Leong Sing,Geoff Delooze,Robert Wilson,Wai Yee Yeong. Laser powder bed fusion of titanium-tantalum alloys: Compositions and designs for biomedical applications[J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials,2020.