吕坚院士 l 3D打印超弹性NiTi合金支架，推动骨植入需求

天然骨骼具有重要的特性，包括强大的变形恢复能力以及在身体不同部位具有不同的机械和传质特性，以确保其满足日常功能需求。当使用金属支架作为部分植入物来治疗局部骨质流失时，它们必须与植入部位的天然骨骼的这些特性紧密匹配。因此，理想的支架应该兼具高度的变形恢复能力，以及在机械和传质特性方面具有广泛的可调控性（即在很宽的范围内可调）。

天然骨骼可以通过变形来耗散冲击能量，并在卸载后恢复到原始状态，其最大可恢复应变为2%至4%。传统金属支架由于弹性应变有限（<1%），从而导致治疗效果受损、植入物潜在失败以及用户生活质量下降等问题。相比之下，超弹性NiTi合金由于奥氏体(B2)和马氏体(B19′)相之间的可逆相变，表现出显著的超过4%的可恢复应变。这种超弹性为NiTi合金在支架应用中提供了显著优势。

骨骼特性存在显著的区域差异，极限抗压强度相差超过100 MPa，弹性模量(E)相差两个数量级，渗透性(K)相差十倍。虽然NiTi支架很有前景，但将足够的超弹性与这些可调特性相结合却极具挑战性。超弹性和机械性能之间显然需要权衡。具体而言，一些NiTi支架的可恢复应变超过4%，但其压缩应力仅在5MPa至15MPa之间。虽然后热处理有时可以改善超弹性，但它们同时会引起氧化并增加工艺复杂性。此外，之前的研究主要集中在不锈钢和钛支架的传质性能上，而NiTi支架受到的关注较少。

因此，研制具有可调力学和传质性能的超弹性NiTi支架至关重要且刻不容缓。本研究采用激光粉末床熔合（LPBF）构建了具有分级微观结构和螺旋片宏观结构的稳定B2相。这种创新的结构设计显著促进了马氏体相变，实现了显著的超弹性，可恢复应变超过4%。此外，通过调整体积分数（Vf）和晶胞尺寸（a），有效地调节了力学和传质性能，同时不影响超弹性。在骨植入物需求急剧增长的背景下，预计到2030年市场价值将达到642.7亿美元，具有灵活性能调节空间的超弹性NiTi支架明显优于现有同类产品，有效满足了骨植入物对高性能支架的需求。此外，这项研究为其他需要集成变形恢复、结构支撑和质量转移功能的超材料的领域提供了宝贵的见解。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

成果速览

天然骨骼具有较大的可恢复应变为2%至4%，且在不同身体部位其机械和质量传递特性各有不同。整合这些特性对于用于骨缺损治疗的金属支架的功能性和治疗效果至关重要。

本研究提出一种创新的超弹性镍钛(NiTi)支架，其最大可恢复应变高达6%至7%，且弹性模量、循环应力、抗压强度、比阻尼能力和渗透性具有广泛的可调性。这些令人印象深刻的性能集成归功于精心设计的结构，该结构具有稳定的奥氏体相、分级微观结构和螺旋片宏观结构。

物理实验和计算机模拟表明，这种独特的结构组合促进了变形过程中的马氏体相变，并允许在不影响超弹性的情况下调整机械和质量传递特性。变形可恢复和性能可调的NiTi支架比传统支架更具适应性，为各种骨植入需求提供了多功能解决方案。

除了支架应用之外，这项研究还为开发适用于其他领域的先进多功能超材料提供了宝贵的见解。

吕坚院士团队将此工作以「Superelastic NiTi scaffolds with extensively tuneable mechanical and mass transfer properties」为题发表于International Journal of Extreme Manufacturing。

图文解析

图1.用于制备具有可调机械和传质性能的超弹性NiTi支架，用于骨植入物。(a)天然骨骼的最大可恢复应变为2%至4%。(b)NiTi合金表现出超弹性；传统合金仅表现出有限的弹性。(c)身体不同部位的天然骨骼的多种特性：弹性模量 ( E )、极限抗压强度(σUCS)和渗透性(K)。(d)采用激光粉末床熔合(LPBF)来制造 NiTi 支架。（e）构建了具有分级微观结构和螺旋片状拓扑结构的稳定B2相，以实现目标性能。通过调整体积分数和晶胞尺寸来调节其机械性能和传质性能。

图2.NiTi支架的微观结构。

图3.NiTi支架的宏观结构。

图4.NiTi支架的变形恢复性。

图5.NiTi 支架超弹性比较。

图6.NiTi支架的可调机械性能。

图7.NiTi支架与先前研究中合金的比较。

图8.NiTi支架的传质性能。

总结展望

本研究介绍了一种创新型镍钛合金支架，其集卓越的超弹性和高度可调的机械及传质特性于一体。我们的支架拥有高达6%至7%的最大可恢复应变，超越了传统支架，并有效满足了天然骨骼的变形需求(4%)。这种卓越的超弹性源于通过多尺度优化增强的马氏体相变，这包括(1)稳定B2相并用分级微结构取代粗柱状晶粒，以及(2)采用高效的片状拓扑结构取代常用的支柱拓扑结构。

此外，通过调整体积分数和晶胞尺寸，我们在这些超弹性NiTi支架中实现了广泛的关键特性，包括弹性模量（800–3500 MPa）、循环应力（30-150 MPa）。这种灵活的性能组合使我们的NiTi支架能够出色地适应骨植入物的多样化性能要求。

基于这些进展，系统地评估体外生物相容性和体内成骨潜力，以及进一步研究在机械、流体和生物因素联合影响下支架的稳定性，对于推进临床转化至关重要。除了医疗应用外，经过适当改进的支架还具有广泛的应用潜力，包括流体催化剂载体、航空航天飞行器的结构承重以及智能建筑的减振。

这项研究为开发集变形恢复、结构支撑和传质功能于一体的先进多功能超材料提供了宝贵的见解，为未来的创新和跨学科合作铺平了道路。

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2631-7990/adf01e

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