用鈦鉭合金作3D打印材料來3D打印生物原型

鈦合金在普通人眼里，一般都是火箭飛機(jī)導(dǎo)彈之類的龐大物件所用的原材料，而現(xiàn)實(shí)生活中用到鈦合金的地方也有，但不是很多。百度百科是這么說的：鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。世界上許多國(guó)家都認(rèn)識(shí)到鈦合金材料的重要性，相繼對(duì)其進(jìn)行研究開發(fā)，并得到了實(shí)際應(yīng)用。20世紀(jì)50～60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的高溫鈦合金和機(jī)體用的結(jié)構(gòu)鈦合金，70年代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金，80年代以來，耐蝕鈦合金和高強(qiáng)鈦合金得到進(jìn)一步發(fā)展。鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)。可能猛的一想，鈦合金似乎離我們的生活還有點(diǎn)距離，實(shí)則不然。目前已經(jīng)有科學(xué)家將鈦合金用于3D打印醫(yī)療領(lǐng)域，用來制造關(guān)節(jié)部位，由于鈦合金對(duì)人體無害，所以鈦合金成為最佳3D打印材料。但是鈦的融點(diǎn)過高，直至3000度才能融化，最后才想到了鈦鉭合金的方法，使之能夠成為我們3D打印機(jī)能夠打印的原材料，效果不錯(cuò)，一起來看看。

由于其出色的物理性能和抗感染性，鈦合金是制造諸如膝關(guān)節(jié)/髖關(guān)節(jié)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(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)使用具有有趣屬性的鈦、鉭粉末可以3D打印出具有更好的應(yīng)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(shù)和鈦鋁基粉末來3D打印生物原型。SLM技術(shù)通常使用高功率激光器來根據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)模型逐層構(gòu)建3D對(duì)象。但是由于鋁這種元素對(duì)人體神經(jīng)有著長(zhǎng)期不良影響，導(dǎo)致科學(xué)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(shù)研究所（SIMTech）的Florencia Edith Wiria和南洋理工大學(xué)新加坡3D打印中心的Wai Yee Yeong發(fā)起了一個(gè)合作研究項(xiàng)目，希望通過開發(fā)一種創(chuàng)新的金屬共混物來使用SLM技術(shù)3D打印出更好的鈦合金生物醫(yī)療產(chǎn)品。

理論上說，鈦、鉭元素組成的合金是絕對(duì)沒有問題的，因?yàn)檫@兩種金屬都擁有生物相容性，而且其機(jī)械屬性要由于純鈦。但是鉭金屬的熔點(diǎn)非常高（超過3000攝氏度），這就意味著將鈦金屬變成可用于SLM技術(shù)的球形金屬粉末在經(jīng)濟(jì)上基本不可行。而市場(chǎng)上常見的鉭粉通常是通過氣體霧化形成的長(zhǎng)條形粗糙微粒。

為了克服這一問題，研究團(tuán)隊(duì)將這種粗糙的鉭金屬粉與另外一種市場(chǎng)上現(xiàn)成的微球形鈦金屬粉末混合在一起。在將這兩種材料混合半天之后，他們觀察到這種混合物可以鋪設(shè)得更加均勻，更便于SLM技術(shù)使用。顯微鏡實(shí)驗(yàn)揭示在混合之后鈦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(guān)鍵。

“鈦粉在這里充當(dāng)了一個(gè)滾動(dòng)媒介的角色。”Wiria解釋說：“它推動(dòng)了鉭粉，使SLM的處理成為可能。”

通過將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(dòng)來減少熱應(yīng)力，研究人員成功地使用SLM技術(shù)制造出了鈦鉭合金的3D形狀。出人意料的是，通過X射線和其它成像技術(shù)探測(cè)表明，鉭金屬的加入，再加上快速凝固，促進(jìn)和穩(wěn)定了高強(qiáng)度的層狀鈦晶粒的形成。

研究人員預(yù)計(jì)，這種鈦鉭合金將能夠減輕“應(yīng)力遮擋”效應(yīng)，所謂的“應(yīng)力遮擋”效應(yīng)是指植入物的硬度過高導(dǎo)致其鄰近的骨骼得不到足夠的力學(xué)刺激而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的現(xiàn)象。“這些合金是專門被設(shè)計(jì)用于骨骼科應(yīng)用的，甚至有可能在變形后，顯示出某種形狀記憶能力。”Yeong說。

這項(xiàng)研究成果已經(jīng)被發(fā)表在了2016年3月5日出版的《Alloys and Compounds》雜志上，論文題目是《帶50%重量比鉭金屬的鈦合金的選擇性激光熔融：微結(jié)構(gòu)和機(jī)械屬性（Selective laser melting of titanium alloy with 50 wt% tantalum: Microstructure and mechanical properties）》。

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