3D打印超低杨氏模量β-Ti合金，用于生物医学应用

在用于生物医学尤其是骨科的金属生物材料中，钛及其合金与不锈钢和钴铬合金相比具有最合适的特性，因为它们具有很高的生物相容性，比强度和耐腐蚀性。

根据钛合金的相组成，可将其分为三大类，即α，β和α+β合金。本质上，微观结构取决于合金元素的类型和数量，因为同构的α相稳定剂（Zr，Al，Sn，O和Si）优先溶于α相，扩展了其相场，而同构的β相溶解在β相中的稳定剂（H，Mo，W和V）在β相场中起相同的作用。根据合金化程度和热机械加工路径，可以调整α和β相的平衡，从而可以调整强度、韧性和抗疲劳性等性能。

来自特伦托大学工业工程系的研究学者在《A 3D-Printed Ultra-Low Young’s Modulus β-Ti Alloy for Biomedical Applications》论文中评估了亚稳态β-Ti21S合金作为生物医学零件的潜力。本文将介绍通过3D打印实现的亚稳态β-Ti21S合金所具备的特点。

极低的杨氏模量

通过基于粉末床的选区激光熔化金属3D打印技术（L-PBF）可以制造出接近完全致密（99.75±0.02％）的样品。意大利特伦托大学工业工程系开发的材料仅由亚稳态β相组成，其柱状晶粒沿建筑方向取向。

该材料具有极低的杨氏模量（52±0.3 GPa），这种合金从未有过报道。具有良好的机械强度（σy0.2= 709±6 MPa，极限抗拉强度（UTS）= 831±3 MPa）和高拉伸强度（21％±1.2％），在没有任何热处理的情况下，它与锻造合金相近，并且与经过热处理的5级Ti相当。通过细胞毒性测试证明的良好生物相容性证实了其非常适合生物医学应用。

 减轻应力屏蔽效果

论文中指出，除了Ti-6Al-4V ELI（ASTM F 136）外，ASTM仅将Ti-6Al-7Nb（ASTM F 1295）标准化为生物材料。但是，α+β合金的主要局限性之一是其相对较高的杨氏模量E，介于110 GPa和120 GPa之间。骨组织之间的刚度不匹配，将会引起应力屏蔽效应。

由于使用功能梯度开孔多孔金属生产骨科植入物的可能性，AM-增材制造技术越来越引起人们的关注。通过金属3D打印，目的是模仿骨骼的复杂结构，以增加植入物的骨整合。多孔材料的主要优点是减少了骨骼与植入物合金之间的弹性模量不匹配，减轻了应力屏蔽效果并改善了植入物的形态，为组织向内生长提供了生物材料锚固效应。

 无需热处理

与α+βTi合金相比，β钛合金的另一个与AM-增材制造相关的优势在于可以抑制β-Ti合金中的马氏体相变。确实，激光粉末床熔化（L-PBF）AM工艺的典型高冷却速率导致α+β合金必须先进行热处理，然后再从L-PBF建造平台的上移除零件，以获得精细的针状或粗层状微观结构。不幸的是，并不是任何生物医学制造商都具有真空炉的配备。

特伦托大学工业工程系使用的是通过等离子体雾化生产的预合金化的β-Ti21S合金（GKN Hoeganaes Corporation，Cinnaminson，NJ，美国，D10 =25μm，D50 =41μm，D90 =60μm）。粉末的化学组成（重量％）为14.6％Mo，2.8％Al，2.8％Nb和0.3％Si，0.11％O和0.004％N，Ti余。

 高的断裂伸长率

通过金属3D打印机-意大利SISMA的MYSINT100型L-PBF设备，激光热量输入保持在40 J / mm3至90 J / mm3之间。使用氩气气氛，处理层厚度设定为20μm。

最后测试结果表明，用气体雾化的商业粉末可以成功地生产出几乎完全致密的样品。即使快速凝固，也可以获得完全亚稳的β结构。所获得的杨氏模量是文献报道的β-Ti合金（52 GPa）中最低的，其机械强度略低于Ti-6Al-4V，与其他β-Ti合金相近。高的断裂伸长率表明良好的应变适应能力和限制变形的可能性。此外，生物实验结果表明，实验和参考样品未检测到细胞毒性。

应力屏蔽是指当两种模量不同的材料放在一起使用时，模量大的材料承担更大的应力。以常见的植入物制造材料钛合金为例，当该材料被移植入体内，由于钛合金的模量远大于人体骨骼的模量，所以钛合金承担更多的应力作用，这将不利于新骨的生长。

尽管整形外科植入物通常非常成功，但许多患者仍面临主要并发症：植入物相关感染和植入物松动。随着许多患者在60岁之后首次接受植入物，并且患者的预期寿命增加，这是未来植入物的主要问题。

荷兰代尔夫特理工大学开发了一种新的钛植入物。研究人员认为，通过3D打印多孔钛植入物并且进行表面改性可以预防这些并发症等，该团队使用合理的设计原理和增材制造技术，在医学级钛合金中创建了有序互连的多孔微结构，非常适合骨骼的生长。

而国内华中科技大学魏青松老师在改性医用钛合金激光选区熔化原位制备合金方面展开了积极的研究，有望获得适合人体骨骼应用的低模量高强度钛合金。