AMF论文推荐| 新加坡国立大学Jerry Fuh教授团队与吉林大学任露泉院士团队：SLM成形金属玻璃力学性能和生物相容性的研究

引用论文

Niyou Wang, Shuai Chang, Guiwei Li, S Thameem Dheen, A Senthil Kumar, Wenzheng Wu, Qingping Liu, Ji Zhao, Luquan Ren, Jerry Ying Hsi Fuh. Effects of Various Processing Parameters on Mechanical Properties and Biocompatibility of Fe-based Bulk Metallic Glass Processed via Selective Laser Melting at Constant Energy Density. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2022, 1(3).

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100038.

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研究背景及目的

大块金属玻璃因其独特性能在骨植入领域具有广泛的应用前景。但受成形临界冷却速率限制，大块金属玻璃零件难以直接生产。激光粉末床熔融等增材制造技术能够实现大块复杂结构金属玻璃零件直接成形。本文对比研究金属玻璃与316L不锈钢增材制造零件的生物相容性，分析增材制造大块金属玻璃零件在生物医疗的应用的可行性。

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论文亮点

（1）采用恒定激光能量密度，通过调控激光工艺参数，成形具有不同机械性能与表面微观形貌的金属玻璃件。

（2）激光粉末床熔融成形金属玻璃零件表面的不同微观形貌对样件的耐腐蚀性与细胞亲和性具有显著影响。

（3）与增材制造的316L不锈钢零件对比，铁基金属玻璃零件具有更好的SAOS2细胞亲和性。

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试验方法

基于激光粉末床熔融增材制造技术，采用铁基金属玻璃粉末材料增材制造大块金属玻璃零件。采用恒定的激光能量密度，探究激光工艺参数对金属玻璃成形零件显微组织、物相组成、机械性能以及耐腐蚀性的影响。通过间接细胞毒性实验，探究金属玻璃零件表面微观形貌对细胞亲和性的影响机制；通过细胞培养实验，对比分析增材制造金属玻璃零件与316L不锈钢零件的细胞亲和性。

图1 实验流程

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结果

在相同的激光能量密度下，通过调控激光工艺参数成形的三组零件，经XRD检测分析表明，样件均为非晶态；将样件放置于相同的腐蚀环境，激光工艺参数组合数值较大组成形样件的耐腐蚀性更好，金属玻玻璃零件的耐腐蚀性较316L不锈钢零件具有显著提高。纳米压痕实验结果表明，金属玻玻璃零件的硬度显著高于316L不锈钢零件的硬度，通过调控成形工艺参数，可以调控金属玻璃零件的机械性能；通过细胞培养实验可知，金属玻璃样件表面越粗超，样件的细胞亲和性越好，增材制造金属玻璃零件的细胞亲和性显著高于316L不锈钢零件。

图2 相同激光能量密度下，不同成形工艺参数下金属玻璃零件的XRD实验结果

图3 不同激光工艺参数下，金属玻璃零件以及316L不锈钢零件的腐蚀后样件的表面形貌

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结论

研究结果表明，与316L不锈钢相比，增材制造的铁基大块金属玻璃具有良好的力学性能、耐腐蚀性能和生物相容性；在不同的工艺参数下，增材制造的金属玻璃零件几乎完全非晶态；在相同的能量密度下，可通过调控加工参数来改变样件的硬度和弹性模量；较低的工艺参数(在一定的能量密度下)使得铁基BMG表面更加粗糙，从而释放出更多的有益离子，增强其生物相容性。

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前景与应用

增材制造铁基BMG在骨科植入物应用方面具有巨大潜力，尤其是在皮质骨缺损的修复，以及髓内针等骨科植入物方面。

关于团队

任露泉，中国科学院院士，长期从事仿生科学与工程研究，研发不同于传统理念的仿生技术与产品。

王泥又，新加坡国立大学机械工程系博士后，有着丰富的机械和生物领域研究相关的实际经验和理论知识。

A/P A Senthil Kumar，新加坡国立大学机械工程系副教授，有着丰富的金属3D打印项目管理经验，为该项目奠定了扎实的基础。

A/P S T Dheen，新加坡国立大学解剖系副教授、系主任，为整篇文章的生物实验提供了宝贵建议。

Prof Jerry Fuh，新加坡国立大学机械工程系教授，新加坡国立大学3D打印中心创办人。其丰富的3D打印相关知识和实际经验促成了整个合作研究。

李桂伟，吉林大学鼎新学者博士后，从事高性能材料增材制造研究方向，主要负责本研究的金属玻璃增材制造成形。

作 者：王泥又

责任编辑：谢雅洁

责任校对： 向映姣

审 核：张 强

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