超聲速可3D列印生物醫學部件

2021-01-12 騰訊網

這張圖片顯示的是細胞粘附在由冷噴3D列印生成的鈦合金上，展示出材料的生物相容性。

不用膠、螺絲、加熱或其他傳統的粘合方法，康奈爾大學領導的一合作項目開發出一種3D列印技術，通過超聲速將粉末顆粒一起粉碎以製造多孔金屬材料。

這種被稱為「冷噴塗」的技術形式使得多孔結構具有足夠的機械強度，比傳統製造工藝製造的類似材料堅固40%。這種結構的小尺寸和多孔性使其特別適合於打造生物醫學組件，比如置換的關節。

該團隊的論文「SolidState Additive Manufacturing o f P o r o u s T i - 6 A l - 4 V b y Supersonic Impact」（超聲速衝擊固態增材製造多孔Ti-6Al-4V）發表在《應用材料》上。

這篇論文的第一作者Atieh Moridi是康奈爾大學機械與航空航天工程系的助理教授。

Moridi說：「我們專注於製造多孔結構，多孔結構在熱管理、能量吸收和生物醫學方面有很多應用。我們不再只把加熱作為粘合的輸入或驅動力，而是使用塑性變形來將這些粉末顆粒粘合在一起。」

Moridi的研究小組專注於通過增材製造工藝製造高性能金屬材料。增材製造不是將一大塊材料雕刻成幾何形狀，而是一層一層地構建產品，這是一種自下而上的方法，讓製造商在創造產品時擁有更大的靈活性。

然而，增材製造也有其自身的挑戰。其中最重要的是金屬材料需要在超過其熔點的高溫下加熱，這可能導致殘餘應力累積、變形和不必要的相變。

為了消除這些問題，Moridi和他的合作者開發了一種方法，使用壓縮氣體噴嘴在基板上點燃鈦合金顆粒。Moridi說：「這就像繪畫，但三維中構建的東西要多得多。」

這些粒子的直徑在45~106微米之間（1微米是1米的百萬分之一），運動速度約為每秒600米，比聲速還快。為了更好地理解這一速度，以另一種主流的添加劑工藝，直接能量沉積為例，其噴嘴以每秒10米的速度遞送粉末，Moridi的方法相比快了60倍。

粒子的出射速度並不是越快越好。研究人員必須仔細校準鈦合金的理想速度。通常在冷噴印刷中，顆粒要在臨界速度和侵蝕速度之間找到最佳點加速，臨界速度時將形成緻密固體，而侵蝕速度時顆粒碎裂得太厲害，無法粘住任何東西。

區別於傳統校準方式，Moridi的團隊使用計算流體動力學確定了一個速度，這個速度稍稍慢於臨界速度。當粒子以這種稍微慢一點的速度發射時，會形成更加多孔的結構，此形態對於生物醫學應用非常理想，比如用於膝關節或髖關節的人工關節，以及顱面部移植。

Moridi說：「如果我們將這種多孔結構植入體內，骨頭就可以在這些多孔內生長，形成生物固定。這有助於降低假體鬆動的可能性。這很重要。如果假體鬆動引起很大的疼痛，患者必須進行多次修正手術來取出植入物。」

雖然這個過程在技術上被稱為冷噴塗，但它確實涉及一些熱處理。一旦這些粒子碰撞並結合在一起，研究人員就對金屬進行加熱，金屬成分擴散到彼此之間，像均勻的材料一樣沉澱下來。

Moridi說：「我們只專注於鈦合金和生物醫學應用，但該工藝的適用性可能遠遠不止這些。」「基本上，任何能承受塑性變形的金屬材料都能從這一過程中受益。」這為建築、交通和能源等大規模工業應用開拓了很多機會。」 （曾欣欣）

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