增材制造生物镁合金材料的研究进展与展望

来源：[JMA_CCMg] 发布时间：2024-01-04 14:22 浏览：

01 论文概述

镁（Mg）及其合金具有良好的可降解性、生物相容性和力学相容性，近些年来在生物医学领域受到了研究人员的广泛关注。目前，Mg及镁合金产品的加工通常采用铸造、锻造等传统的热加工方法。尽管传统加工方式制造的镁合金比强度很高，但其屈服强度较低，不足以承受大载荷，而且铸造过程中容易产生裂纹和气孔等缺陷。此外，其加工性能差，成形效率低，采用传统制造方法难以生产结构复杂的Mg基产品。与传统工艺相比，增材制造（AM）技术能有效简化成型工艺，通过其独特的设计能力赋予产品不同结构和形状，为骨齿科等领域生产理想的产品。因此，需要对原材料、制造工艺、性能和应用进行详细而透彻的了解，以促进商业化AM-Mg产品的生产。

最近，香港城市大学Paul. K Chu教授、暨南大学于振涛教授和南方医科大学符青云博士等人全面综述了AM-Mg基生物制品从原材料、制造工艺、性能到应用的研究进展，指出面临的问题和挑战，并对未来的发展方向给出了具体建议。

原材料制备方面：Mg基AM的原料主要是Mg粉或者Mg丝。Mg粉制备具有较高的爆炸风险，生产企业相对较少。目前生物医用Mg粉的主要产品包括纯Mg和WE43，其最佳粒径范围在20 μm ~ 70 μm之间，主要采用气体雾化法制备。该方法制备的颗粒具有纯度高、氧化程度低、粉末粒度可控，以及球形度好、环境污染程度小等优点，但制备过程中需要氩气气氛的保护，且粉末中会存在一定含量的空心粉和卫星粉。由于六方密排结构，Mg在室温下的塑性变形能力有限。因此，Mg丝的加工需要涉及较大的塑性变形，如热挤压、冷拔等。图1是Mg丝加工过程中拉拔成形工艺示意图。

图1 Mg合金丝拉拔过程示意图:(a)拉拔模截面图[40];(b)连续拉拔过程

Mg基AM技术方面：金属材料的AM技术一直是AM领域中所公认的最具有挑战性和发展前景的前沿尖端方向之一，也是长时间以来的研究热点。Mg基AM主流技术主要包括激光增材制造（LAM）、电子束增材制造（EBAM）、电弧增材制造（WAAM）和固相增材制造（SSAM），技术特点见表1。LAM是研究最广泛的Mg合金产品制造技术之一，其优点是精度高，强度令人满意，但工作效率低、延展性有限且镁粉活性高，易爆炸。EBAM的能量利用率高于LAM，高能电子束的快速加热和冷却效果可能会在印刷部件中产生固有缺陷。WAAM可以产生中等强度和可观的延展性，但WAAM中残余应力所引起孔隙、开裂等缺陷尤为突出。SSAM过程中不存在金属熔化现象，避免了熔化结晶凝固过程中的冶金缺陷，但存在加工周期长，且制备过程中易产生应力积累和形变，影响打印件的精度和质量等问题。图2和3是是常用熔化极惰性气体保护焊-WAAM和SSAM的工作原理示意图。

表1 Mg基制品常用AM技术特点

图2 GMAW-WAAM示意图

图3 三种不同SSAM工艺示意图

目前，AM-Mg基制品性能研究主要包括力学性能、降解性能和生物相容性。表2和3是常见AM-Mg基产品的力学性能。原材料的质量、AM工艺、材料结构设计以及后处理工艺等均影响AM-Mg基制品性能，例如，结构设计中通过增加孔隙率可以降低其力学性能，而孔隙率的改变同样影响期降解性能和生物相容性。3D打印的Mg支架表面往往比较粗糙，不利于生物医用，因此通过后处理工艺（表面改性）以增强其适用性往往也是必要的。总体来说，目前研究材料性能与影响因素之间关系的数据较少，需要进一步加强研究。此外，为了适应更多医疗应用场景，含有聚l -乳酸（PLLA）、聚乳酸-乙醇酸（PLGA）、羟基磷灰石（HA）、β-三钙磷酸（β-TCP）、水凝胶、生物活性陶瓷和生物活性玻璃等活性成分的Mg基复合材料也正成为一个新兴的AM研究领域。

表2 SLM法制备常见镁合金制品的力学性能

表3 WAAM法制备常见镁合金制品的力学性能

尽管AM-Mg基制品已经取得了一定的进展，但距离最终应用仍然存在诸多挑战。原材料方面，Mg粉和Mg丝的制备和存储有较大研究空间。在AM技术方面，现有AM技术均不能有效满足Mg基制品的生产，亟需进一步发展现有AM技术或开发新的AM技术。在性能研究方面，需要进一步加深理解性能与其影响因素之间的关系。最后，需要进一步提高对Mg基制品复合打印、Mg基制品后续表面改性及临床应用研究，以促进AM-Mg基制品的进一步发展。

02 文章发表

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第11卷第5期：

[1] 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.

03 文章下载

04 中文摘要

生物可降解金属镁（Mg）及其合金因其优异的力学性能和生物降解性在生物医学研究中引起了广泛的关注。然而，传统的铸造、挤压和商业加工在制造具有复杂形状/结构的部件方面存在局限性，并且这些过程可能产生诸如空洞和气孔等缺陷，从而降低产品的性能和实用性。与传统技术相比，增材制造（AM）可用于精确控制具有多个几何尺度的不同Mg基材料制成的工件的几何形状，并为骨科，牙科和其他领域生产理想的医疗产品。然而，需要对原材料、制造工艺、性能和应用进行详细而全面的了解，以促进商业化AM-Mg基生物医学组件的生产。因此，本文从上述几个方面综述了AM-Mg基生物医用产品的最新研究进展和重要问题，并讨论了未来的发展和应用趋势。

05 Abstract

Biodegradable metals such as magnesium (Mg) and its alloys have attracted extensive attention in biomedical research due to their excellent mechanical properties and biodegradability. However, traditional casting, extrusion, and commercial processing have limitations in manufacturing components with a complex shape/structure, and these processes may produce defects such as cavities and gas pores which can degrade the properties and usefulness of the products. Compared to conventional techniques, additive manufacturing (AM) can be used to precisely control the geometry of workpieces made of different Mg-based materials with multiple geometric scales and produce desirable medical products for orthopedics, dentistry, and other fields. However, a detailed and thorough understanding of the raw materials, manufacturing processes, properties, and applications is required to foster the production of commercial Mg-based biomedical components by AM. This review summarizes recent advances and important issues pertaining to AM of Mg-based biomedical products and discusses future development and application trends.

06 作者简介

第一作者/通讯作者简介：

符青云（共同第一作者），南方医科大学口腔医院博士后。博士毕业于暨南大学，主要从事新型生物医用可降解金属的开发、表面改性及镁合金电弧增材制造技术开发研究。近三年来共发表SCI论文14篇，授权发明专利4项，其中以第一作者发表SCI论文7篇。

梁文琦（共同第一作者），暨南大学2019级硕士生，主要从事镁合金电弧增材制造技术研究。

Paul K. Chu （朱剑豪，通讯作者），香港城市大学讲座教授，中国香港工程科学院院士，美国材料研究学会会士，美国物理学会会士，美国真空学会会士，国际电气与电子工程学会会士，中国香港工程师学会会士。兼任Materials Science and Engineering R: Reports副主编，Biomaterials等期刊编委。2016-2023年连续入选世界高被引学者榜单。

于振涛（通讯作者），暨南大学教授，博士生导师，中国生物材料学会首届会士，中国生物材料学会理事，中国生物材料口腔颅颌面材料分委会主委等。主持和为主参加了国家“863”、“973”、科技支撑、自然科学基金，以及国家重点研发计划、国际科技合作专项等国家及省部级各类科研项目40余项。获省部级一、二等奖13项，申/获国家发明（实用新型）专利100余项，主/参编专著7部，发表论文250余篇。