增材制造生物鎂合金材料、工藝、性能及應(yīng)用綜述

來源：JMACCMg

鎂（Mg）及其合金具有良好的可降解性、生物相容性和力學(xué)相容性，近些年來在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到了研究人員的廣泛關(guān)注。目前，Mg及鎂合金產(chǎn)品的加工通常采用鑄造、鍛造等傳統(tǒng)的熱加工方法。盡管傳統(tǒng)加工方式制造的鎂合金比強度很高，但其屈服強度較低，不足以承受大載荷，而且鑄造過程中容易產(chǎn)生裂紋和氣孔等缺陷。此外，其加工性能差，成形效率低，采用傳統(tǒng)制造方法難以生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的Mg基產(chǎn)品。與傳統(tǒng)工藝相比，增材制造（AM）技術(shù)能有效簡化成型工藝，通過其獨特的設(shè)計能力賦予產(chǎn)品不同結(jié)構(gòu)和形狀，為骨齒科等領(lǐng)域生產(chǎn)理想的產(chǎn)品。因此，需要對原材料、制造工藝、性能和應(yīng)用進行詳細而透徹的了解，以促進商業(yè)化增材制造-鎂產(chǎn)品的生產(chǎn)。

最近，香港城市大學(xué)Paul. K Chu教授、暨南大學(xué)于振濤教授和南方醫(yī)科大學(xué)符青云博士等人全面綜述了增材制造鎂基生物制品從原材料、制造工藝、性能到應(yīng)用的研究進展，指出面臨的問題和挑戰(zhàn)，并對未來的發(fā)展方向給出了具體建議。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2213956723001020

原材料制備方面：Mg基增材制造的原料主要是Mg粉或者Mg絲。Mg粉制備具有較高的爆炸風(fēng)險，生產(chǎn)企業(yè)相對較少。目前生物醫(yī)用Mg粉的主要產(chǎn)品包括純Mg和WE43，其最佳粒徑范圍在20 μm ~ 70 μm之間，主要采用氣體霧化法制備。該方法制備的顆粒具有純度高、氧化程度低、粉末粒度可控，以及球形度好、環(huán)境污染程度小等優(yōu)點，但制備過程中需要氬氣氣氛的保護，且粉末中會存在一定含量的空心粉和衛(wèi)星粉。由于六方密排結(jié)構(gòu)，Mg在室溫下的塑性變形能力有限。因此，Mg絲的加工需要涉及較大的塑性變形，如熱擠壓、冷拔等。圖1是Mg絲加工過程中拉拔成形工藝示意圖。

圖1 Mg合金絲拉拔過程示意圖:(a)拉拔模截面圖[40];(b)連續(xù)拉拔過程

Mg基增材制造技術(shù)方面：金屬材料的增材制造技術(shù)一直是增材制造領(lǐng)域中所公認的最具有挑戰(zhàn)性和發(fā)展前景的前沿尖端方向之一，也是長時間以來的研究熱點。Mg基增材制造主流技術(shù)主要包括激光增材制造（LAM）、電子束增材制造（EBAM）、電弧增材制造（WAAM）和固相增材制造（SSAM），技術(shù)特點見表1。LAM是研究最廣泛的Mg合金產(chǎn)品制造技術(shù)之一，其優(yōu)點是精度高，強度令人滿意，但工作效率低、延展性有限且鎂粉活性高，易爆炸。EBAM的能量利用率高于LAM，高能電子束的快速加熱和冷卻效果可能會在印刷部件中產(chǎn)生固有缺陷。WAAM可以產(chǎn)生中等強度和可觀的延展性，但WAAM中殘余應(yīng)力所引起孔隙、開裂等缺陷尤為突出。SSAM過程中不存在金屬熔化現(xiàn)象，避免了熔化結(jié)晶凝固過程中的冶金缺陷，但存在加工周期長，且制備過程中易產(chǎn)生應(yīng)力積累和形變，影響打印件的精度和質(zhì)量等問題。圖2和3是是常用熔化極惰性氣體保護焊-WAAM和SSAM的工作原理示意圖。

表1 Mg基制品常用增材制造技術(shù)特點

圖2 GMAW-WAAM示意圖

圖3 三種不同SSAM工藝示意圖

目前，AM-Mg基制品性能研究主要包括力學(xué)性能、降解性能和生物相容性。表2和3是常見AM-Mg基產(chǎn)品的力學(xué)性能。原材料的質(zhì)量、增材制造工藝、材料結(jié)構(gòu)設(shè)計以及后處理工藝等均影響AM-Mg基制品性能，例如，結(jié)構(gòu)設(shè)計中通過增加孔隙率可以降低其力學(xué)性能，而孔隙率的改變同樣影響期降解性能和生物相容性。3D打印的Mg支架表面往往比較粗糙，不利于生物醫(yī)用，因此通過后處理工藝（表面改性）以增強其適用性往往也是必要的�？傮w來說，目前研究材料性能與影響因素之間關(guān)系的數(shù)據(jù)較少，需要進一步加強研究。此外，為了適應(yīng)更多醫(yī)療應(yīng)用場景，含有聚l -乳酸（PLLA）、聚乳酸-乙醇酸（PLGA）、羥基磷灰石（HA）、β-三鈣 磷酸（β-TCP）、水凝膠、生物活性陶瓷和生物活性玻璃等活性成分的Mg基復(fù)合材料也正成為一個新興的增材制造研究領(lǐng)域。

圖4 常見鎂合金醫(yī)療器械

表2 SLM法制備常見鎂合金制品的力學(xué)性能

表3 WAAM法制備常見鎂合金制品的力學(xué)性能

盡管AM-Mg基制品已經(jīng)取得了一定的進展，但距離最終應(yīng)用仍然存在諸多挑戰(zhàn)。原材料方面，Mg粉和Mg絲的制備和存儲有較大研究空間。在增材制造技術(shù)方面，現(xiàn)有增材制造技術(shù)均不能有效滿足Mg基制品的生產(chǎn)，亟需進一步發(fā)展現(xiàn)有增材制造技術(shù)或開發(fā)新的增材制造技術(shù)。在性能研究方面，需要進一步加深理解性能與其影響因素之間的關(guān)系。最后，需要進一步提高對Mg基制品復(fù)合打印、Mg基制品后續(xù)表面改性及臨床應(yīng)用研究，以促進AM-Mg基制品的進一步發(fā)展。

生物可降解金屬鎂（Mg）及其合金因其優(yōu)異的力學(xué)性能和生物降解性在生物醫(yī)學(xué)研究中引起了廣泛的關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的鑄造、擠壓和商業(yè)加工在制造具有復(fù)雜形狀/結(jié)構(gòu)的部件方面存在局限性，并且這些過程可能產(chǎn)生諸如空洞和氣孔等缺陷，從而降低產(chǎn)品的性能和實用性。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，增材制造（AM）可用于精確控制具有多個幾何尺度的不同Mg基材料制成的工件的幾何形狀，并為骨科，牙科和其他領(lǐng)域生產(chǎn)理想的醫(yī)療產(chǎn)品。然而，需要對原材料、制造工藝、性能和應(yīng)用進行詳細而全面的了解，以促進商業(yè)化AM-Mg基生物醫(yī)學(xué)組件的生產(chǎn)。因此，本文從上述幾個方面綜述了AM-Mg基生物醫(yī)用產(chǎn)品的最新研究進展和重要問題，并討論了未來的發(fā)展和應(yīng)用趨勢。

該文章發(fā)表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第11卷第5期：
Qingyun Fu, Wenqi Liang, Jiaxin Huang, Weihong Jin, Baisong Guo, Ping Li, Shulan Xu, Paul K. Chu*, Zhentao Yu*. Research perspective and prospective of additive manufacturing of biodegradable magnesium-based materials [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2023, 11(5): 1608-1617.

作者團隊
符青云（共同第一作者），南方醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院博士后。博士畢業(yè)于暨南大學(xué)，主要從事新型生物醫(yī)用可降解金屬的開發(fā)、表面改性及鎂合金電弧增材制造技術(shù)開發(fā)研究。近三年來共發(fā)表SCI論文14篇，授權(quán)發(fā)明專利4項，其中以第一作者發(fā)表SCI論文7篇。

梁文琦（共同第一作者），暨南大學(xué)2019級碩士生，主要從事鎂合金電弧增材制造技術(shù)研究。

Paul K. Chu （朱劍豪，通訊作者），香港城市大學(xué)講座教授，中國香港工程科學(xué)院院士，美國材料研究學(xué)會會士，美國物理學(xué)會會士，美國真空學(xué)會會士，國際電氣與電子工程學(xué)會會士，中國香港工程師學(xué)會會士。兼任Materials Science and Engineering R: Reports副主編，Biomaterials等期刊編委。2016-2023年連續(xù)入選世界高被引學(xué)者榜單。

于振濤（通訊作者），暨南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，中國生物材料學(xué)會首屆會士，中國生物材料學(xué)會理事，中國生物材料口腔顱頜面材料分委會主委等。主持和為主參加了國家“863”、“973”、科技支撐、自然科學(xué)基金，以及國家重點研發(fā)計劃、國際科技合作專項等國家及省部級各類科研項目40余項。獲省部級一、二等獎13項，申/獲國家發(fā)明（實用新型）專利100余項，主/參編專著7部，發(fā)表論文250余篇。