江西理工大學帥詞俊等｜鋅的激光增材制造：成型質(zhì)量、織構(gòu)以及細胞行為

本研究論文聚焦激光增材制造可降解金屬鋅的成型質(zhì)量、織構(gòu)以及細胞行為的研究。激光增材制造不僅充分實現(xiàn)金屬粉末近凈形狀制造的可能性，還能精確制造出復雜結(jié)構(gòu)，在骨修復領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。金屬鋅兼具良好的生物相容性和適中的降解速率，被認為是一種極具潛力的可降解金屬。然而鋅存在較低的熔點和沸點，在制備過程中容易產(chǎn)生蒸發(fā)產(chǎn)物，使激光束輻射和輸入粉末層的激光能量不一致，進而降低了鋅植入物的形成質(zhì)量。本文采用激光增材制造技術(shù)制備金屬鋅，通過闡明激光工藝參數(shù)對金屬鋅成型質(zhì)量、織構(gòu)以及力學性能的影響機制，獲得了制備金屬鋅的優(yōu)化激光工藝。在優(yōu)化激光工藝下，金屬鋅的平均硬度、機械強度和伸長率分別達到了50.2HV、127.8MPa和7.6%。此外，還分析了金屬鋅的降解行為和成骨性能。這項工作為選擇激光工藝參數(shù)以優(yōu)化鋅植入物的綜合性能提供了依據(jù)。

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圖1 （a） 鋅的粉末形態(tài)和（b）粒度分布；（c）激光粉末床熔合（LPBF）的常用工藝參數(shù)；（d） LPBF制造的鋅樣品

圖2 在LPBF過程中采用不同激光功率（P）和掃描速度（V）制備鋅的表面形貌（藍色箭頭表示孔隙度，比例尺位于左上角，BD：建筑方向）

圖3  在LPBF過程中使用不同激光功率和掃描速度制造鋅的橫截面形貌和相對密度。比例尺顯示在左上角；紅色和藍色區(qū)域分別代表密度低于90%和高于99.5%的部分

圖4 （a） 在掃描速度（400、600和800 mm/s）和激光功率（80和100 W）的組合下， LPBF制備鋅的晶粒取向圖和（b）織構(gòu)強度圖。紅色、藍色和綠色分別表示圖片, 圖片, 和圖片晶粒取向

圖5 （a）LPBF制備鋅的硬度及其分布；（b）拉伸試驗后的應力-應變拉伸曲線；（c）拉伸參數(shù)和（d）拉伸測試后斷裂表面。這些拉伸樣被標記為S1、S2、S3、K1、K2和K3，其中S和K分別對應于80和100W的激光功率，1、2和3分別代表400、600和800mm/s

圖6 （a）骨髓基質(zhì)干細胞（BMSCs）的細胞形態(tài)和（b）CCK-8結(jié)果；（c）堿性磷酸酶（ALP）染色和（d）在鋅提取物中培養(yǎng)1、7和14天后細胞的活性；（e）茜素紅染色和（f）相應的定量分析；（g）在具有TRPM7和/或GPR39敲除的hMSC中培養(yǎng)后，Ca2+對Zn的反應；（h） TRPM7和/或GPR39敲低的hMSC中的cAMP和PKA活性