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使用钛钽合金改進3D打印植入物的應力吸收

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使用钛钽合金改進3D打印植入物的應力吸收

發布日期:2018-09-28 作者: 點擊:

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  由于钛合金出色的物理性能和抗感染性,钛合金是制造諸如膝關節/髋關節植入物這樣的骨科裝置的首要選擇。日前,來自新加坡科技研究局(A*STAR)的一個研究團隊發現使用具有有趣屬性的钛、钽粉末可以3D打印出具有更好的應力吸收能力的定制植入物。

  到目前為止,研究人員們主要使用選擇性激光熔融(SLM)技術和钛鋁基粉末來3D打印生物原型。SLM技術通常使用高功率激光器來根據計算機設計模型逐層構建3D對象。但是由于鋁這種元素對人體神經有着長期不良影響,導緻科學家們希望能夠找到其它材料來取代它。

  為此來自A*STAR下屬新加坡制造技術研究所(SIMTech)的Florencia Edith Wiria和南洋理工大學新加坡3D打印中心的Wai Yee Yeong發起了一個合作研究項目,希望通過開發一種創新的金屬共混物來使用SLM技術3D打印出更好的钛合金生物醫療産品。

  理論上說,钛、钽元素組成的合金是絕對沒有問題的,因為這兩種金屬都擁有生物相容性,而且其機械屬性要由于純钛。但是钽闆廠家钽金屬的熔點非常高(超過3000攝氏度),這就意味着将钛金屬變成可用于SLM技術的球形金屬粉末在經濟上基本不可行。而市場上常見的钽粉通常是通過氣體霧化形成的長條形粗糙微粒。

  為了克服這一問題,研究團隊将這種粗糙的钽金屬粉與另外一種市場上現成的微球形钛金屬粉末混合在一起。在将這兩種材料混合半天之後,他們觀察到這種混合物可以鋪設得更加均勻,更便于SLM技術使用。顯微鏡實驗揭示在混合之後钛金屬的球形形狀仍然保留,這是該混合物可成功用于3D打印的關鍵。

  “钛粉在這裡充當了一個滾動媒介的角色。”Wiria解釋說:“它推動了钽粉,使SLM的處理成為可能。”

  通過将一種棋盤式的激光掃描模式上下交替熔融金屬或者從一邊到另一邊的移動來減少熱應力,研究人員成功地使用SLM技術制造出了钛钽合金的3D形狀。出人意料的是,通過X射線和其它成像技術探測表明,钽金屬的加入,再加上快速凝固,促進和穩定了高強度的層狀钛晶粒的形成。

  研究人員預計,這種钛钽合金将能夠減輕“應力遮擋”效應,所謂的“應力遮擋”效應是指植入物的硬度過高導緻其鄰近的骨骼得不到足夠的力學刺激而導緻骨質疏松的現象。


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