單晶鎳基合金材料性質(zhì)

　　我國2016年出臺的《“十三五”科技創(chuàng)新規(guī)劃》第五章“構(gòu)建具有國際競爭力的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系”中明確指出要大力發(fā)展新材料技術(shù)和先進(jìn)高效生物技術(shù)。本次規(guī)劃的重點(diǎn)主要集中在植介入器械、組織修復(fù)材料和前沿新技術(shù)三個大方向。

　　記憶合金在醫(yī)學(xué)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用包括血管支架，矯形植入物方面。我國以西北有色金屬研究院，中科院沈陽金屬研究所，天津大學(xué)等高等院校和科研院所也進(jìn)行了大量的理論研究和生產(chǎn)工藝研究，取得了眾多的科研成果和專利技術(shù)。本期，3D科學(xué)谷與谷友一起來了解記憶合金，國內(nèi)發(fā)展到那個地步了？

　　鈦鎳基記憶合金

　　沈陽海納鑫科技

　　沈陽海納鑫科技以鈦鎳基記憶合金絲作原料，采用激光熔覆增材制造工藝，通過對制造部件的組織控制和變形量的控制，真空自耗凝殼爐的熔池大，獲得合金元素的充分均勻化，防止合金偏析。

　　通過3D打印鈦鎳記憶合金絲的激光熔覆增材制造步驟為：

　　-根據(jù)要制造的部件的CAD圖紙，用3Dmxs軟件建模；

　　-用Cura軟件切片，然后把此程序輸入到激光熔覆打印機(jī)的控制電腦中；

　　-根據(jù)要制造部件的壁厚和部位的不同，確定熔覆速度，激光參數(shù)，送絲速度；

　　-調(diào)定冷卻用氬氣的壓力，流量；

　　-開始激光熔覆打?。?/p>

　　-冷卻處理，成品修整。

　　3D科學(xué)谷了解到沈陽海納鑫科技的技術(shù)不僅僅體現(xiàn)在3D打印過程中，還體現(xiàn)在前期的鈦鎳基記憶合金的熔煉，鈦鎳基記憶合金絲的制備，以及加工過程中制造部件的組織控制和變形量的控制。另外，沈陽海納鑫科技在合金中加入了微量的稀土金屬元素，主要是為了細(xì)化晶粒和調(diào)整Ms轉(zhuǎn)變溫度。并且，對于槳類部件的槳葉部分的變形控制，沈陽海納鑫科技采取了對稱激光熔覆的工藝，同時控制激光熔覆速度和氣體冷卻速度，使其各個槳葉的組織和變形量基本一致。

　　形狀記憶合金血管支架

　　南京航空航天大學(xué)

　　南京航空航天大學(xué)基于自動鋪粉的激光組合加工技術(shù)制備形狀記憶合金血管支架，根據(jù)待加工零件的三維數(shù)據(jù)模型，利用高能激光束熔化混合粉末體系，通過逐層鋪粉、逐層熔凝疊加累積的方式，直至最終成形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的血管支架坯件，然后經(jīng)過電化學(xué)拋光處理達(dá)到特定表面粗糙度要求。

　　3D科學(xué)谷了解到這種血管支架具有以下特點(diǎn)：

　　-依靠形狀記憶合金所特有的超彈性功能和形狀記憶效應(yīng)，可有效降低血管支架在臨床應(yīng)用時血管再狹窄發(fā)生率；

　　-通過力學(xué)性能和模擬生物體環(huán)境測試，血管支架具有良好的生物組織和血液相容性，符合醫(yī)學(xué)應(yīng)用條件；

　　-基于激光組合加工技術(shù)超高制造精度的優(yōu)勢及成形過程中惰性氣體的保護(hù)，有效克服傳統(tǒng)血管支架制備時加工表面粗糙、毛刺和氧化等問題。

　　南京航空航天大學(xué)研發(fā)的血管支架在高溫定型后，在低溫時壓縮 成收縮狀態(tài)并壓握在球囊上，外加保護(hù)鞘，當(dāng)支架進(jìn)入血液后，即刻達(dá)到相變溫 度，從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，當(dāng)外部保護(hù)鞘去除后，支架自行張開到預(yù)定的直徑， 起到對狹窄病變區(qū)域的支撐作用。其中，血管支架在未變形時的相為奧氏體相， 撐開后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相，相變會改變合金的機(jī)械性能，但不會改變其原始成分， 當(dāng)發(fā)生奧氏體到馬氏體相變時，材料的硬度和強(qiáng)度都會提高，由于NiTi合金自 身良好的生物和組織相容性，發(fā)生相變后也不會對人體產(chǎn)生副作用。

　　南京航空航天大學(xué)采用的合金材料為鎳、鈦，第三種成分為Co或Cr或V中的一種。第三種成分可使材料表面形成致密穩(wěn)定的氧化膜，有效抑制孔蝕的發(fā)生，從而提高血管支架整體的耐蝕性， 保證支架在人體內(nèi)部的正常工作。

　　具有4D效應(yīng)的脊柱側(cè)凸內(nèi)固定矯正裝置

　　廣州邁普再生醫(yī)學(xué)

　　現(xiàn)有的金屬類脊柱側(cè)彎內(nèi)固定器械在Zimmer，Stryker、Medtronic 和Depuy等公司的相關(guān)專利及技術(shù)資料中都有提到，然而現(xiàn)有脊柱側(cè)凸手術(shù)矯形也存在一些問題，如：假關(guān)節(jié)形成、內(nèi)固定失敗 (斷釘、棒和脫鉤等)、深部感染等；特別對于手術(shù)患者，他們的側(cè)凸程度 往往較為嚴(yán)重，醫(yī)生在制定手術(shù)方案時，往往面臨著是選擇激進(jìn)還是保守治 療的難題。

　　脊柱側(cè)彎疾病有個特點(diǎn)，每個病人的脊柱變形都不盡相同，側(cè)凸角度、 旋轉(zhuǎn)角度、脊椎骨形態(tài)、側(cè)凸位置及對周邊影響、脊柱旁軟組織結(jié)構(gòu)都不盡 相同，臨床醫(yī)生有個性化器械的需求。廣州邁普再生醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)的進(jìn)步使制造更符合病人生理構(gòu)造的個性化的脊柱矯形內(nèi)固定器械成為可能。4D效應(yīng)就是3D打印材料自動變成為預(yù)設(shè)的模型，是在3D打印的基礎(chǔ)上增加了時間維度，也就是廣州邁普再生醫(yī)學(xué)的具有4D效應(yīng)的脊柱側(cè)凸內(nèi)固定矯正裝置中的4D的含義，隨時間可控變形的性質(zhì)是通過基于應(yīng)力平衡的方式實現(xiàn)的。

　　3D科學(xué)谷了解到廣州邁普再生醫(yī)學(xué)的打印過程主要包括以下步驟：

　　-通過3D打印激光燒結(jié)打印技術(shù)制備鎳鈦基記憶合金材料骨架，待鎳鈦基記憶合金材料骨架冷卻后，設(shè)計弧度并進(jìn)行彎折；

　　-通過3D打印熔融沉積式打印技術(shù)，在得到的鎳鈦基記憶合金材料骨架上沉積熱塑性材料從而制備熱塑性材料外殼或者單獨(dú)制備熱塑性 材料外殼再將鎳鈦基記憶合金材料骨架與熱塑性材料外殼組合，其中所述鎳 鈦基記憶合金材料骨架的定位孔與所述熱塑性材料外殼的定位銷進(jìn)行配合， 從而得到功能單元。

　　本文參考資料：

　　ScienceDOI:10.1126/science.aaf6524

　　Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.1600319

　　Investigations on Ni-Ti shape memory alloy using laser based AM

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