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鋅鎂(Zn-Mg)合金由于其適宜的降解速率、良好的機械強度和優(yōu)異的生物相容性，已經(jīng)成為有吸引力的可生物降解骨替代材料。傳統(tǒng)的方法(如鑄造和擠壓)已被用于鋅鎂合金的制造，但控制其元素的均勻性和復(fù)雜的幾何形狀仍然具有挑戰(zhàn)性。激光粉末床熔融(LPBF)作為金屬增材制造工藝之一，已被廣泛用于制備尺寸精度高、機械性能優(yōu)異的金屬植入體。

LPBF過程中由表面張力梯度引起的Marangoni對流有助于熔池中元素的擴散，另外LPBF分層制造、逐層疊加的特性可以制備任何形狀復(fù)雜的金屬植入物。為此華中科技大學(xué)趙丹雷等人通過LPBF技術(shù)制備了一種具有優(yōu)異的耐疲勞極限和抗疲勞性能的鋅鎂多孔支架。并對LPBF Zn-Mg支架的組織演化、腐蝕疲勞行為及抗疲勞機理進行了探究。

在純鋅支架的顯微組織中可以觀察到大小為1-10 μm的板條狀晶粒。相比之下，鋅鎂支架中則為任意分散的細小的胞晶和柱狀亞晶粒(<1 μm)和枝晶，LPBF鋅鎂支架的晶粒尺寸遠小于鑄造支架(~30 μm)，晶粒尺寸的細化可歸因于鎂的晶粒細化能力及LPBF過程中的快速凝固。

在HAADF圖像中觀察到枝晶顆粒和共晶結(jié)構(gòu)(圖1e)，TEM-EDS圖譜分析表明鎂元素在共晶相中相對富集，Mg的加入促進了板條粗晶向細晶+柱狀晶的轉(zhuǎn)變和Mg2Zn11沉淀的產(chǎn)生。而熔池中的強對流和快速凝固有利于元素的擴散和均勻化。

圖1：Zn與Zn-Mg支架的顯微組織

腐蝕疲勞測試結(jié)果表明LPBF Zn和Zn-Mg支架的疲勞強度分別為9.59 MPa(累積應(yīng)變?yōu)?.82%)和31.4 MPa(累積應(yīng)變?yōu)?.35%)。Zn支架的高應(yīng)力/屈服應(yīng)力比(0.8)可能在于其良好的延展性。Mg的加入可以提高Zn基體的腐蝕疲勞強度，并減少其應(yīng)變積累。而支架的應(yīng)變累積主要是由疲勞棘輪效應(yīng)引起的，并不是由疲勞損傷引起的。結(jié)果表明，兩種支架在腐蝕疲勞過程中均未出現(xiàn)穿透性裂紋，具有良好的抗疲勞能力。

圖2：LPBF Zn和Zn-Mg支架在不同載荷下的腐蝕疲勞性能:(a, b) Zn和Zn-Mg支架的累積應(yīng)變曲線;(c)應(yīng)力/屈服應(yīng)力與循環(huán)率的關(guān)系;(d)不同應(yīng)力下每個周期的累積應(yīng)變

圖3：LPBF Zn和Zn-Mg支架的腐蝕疲勞響應(yīng):(a, b) Zn和Zn-Mg支架的力和載荷壓頭位置曲線;(c, d) Zn和Zn-Mg支架的滯回曲線;(e, f) Zn和Zn-Mg支架的疲勞棘輪和疲勞損傷應(yīng)變曲線;(g)計算疲勞棘輪和疲勞損傷應(yīng)變的方法

支架的晶粒細化、位錯堆積和應(yīng)力分布均勻有助于提高抗疲勞能力和降低疲勞損傷應(yīng)變。鋅鎂支架表面形成的腐蝕產(chǎn)物有利于抑制疲勞棘輪和疲勞損傷。鋅鎂支架晶界的位錯堆積和固溶相能夠延緩裂紋尖端的擴展，抑制晶粒的過度粗化，提高支架的疲勞壽命極限，抑制支架的擇優(yōu)取向。更重要的是，鋅鎂支架可以通過適度的晶界遷移來消耗疲勞能量，減少其塑性變形。

圖4：LPBF Zn和Zn-Mg支架的斷裂行為分析:(a)縱向方向圖;(b, c) Zn- Mg和Zn支架的截面;(d-f)有限元模擬

圖5：EBSD結(jié)果顯示在縱向方向疲勞裂紋附近的微觀組織:(a1-a4)分別為Zn支架的IPF、PF、GB和KAM圖;(b1-b4)鋅鎂支架的IPF、PF、GB和KAM圖譜

圖6：LPBF鋅鎂支架在腐蝕疲勞過程中的晶界遷移示意圖

總  結(jié)

生物可降解金屬的增材制造(AM)在骨組織再生醫(yī)學(xué)中顯示出前所未有的前景。腐蝕疲勞性能是影響AM生物降解支架性能的關(guān)鍵因素之一。在該研究中制造一種具有良好疲勞極限和抗疲勞能力的鋅鎂陀螺支架，對其進行了測試表征，表明增材制造的 Zn-Mg支架在治療承重骨缺損方面具有良好的潛力。