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Ti-42Nb:用于3D打印骨科和牙科植入物的新型合金材料

来源:原创

发布时间:2021-04-15 10:55:08

点击量:126

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摘要:众所周知,Ti-42Nb是应用于3D打印骨科领域的一种新型合金,Taniobis的AMtrinsic品牌(以前是H.C. Starck Tantalum和Niobium GmbH)提供该材料具有非常有趣的性能,并且可以以99.95%的密度进行3D打印……

 

 

aau讯(编辑 Sunshine)众所周知,Ti-42Nb是应用于3D打印骨科领域的一种新型合金,Taniobis的AMtrinsic品牌(以前是H.C. Starck Tantalum和Niobium GmbH)提供该材料具有非常有趣的性能,并且可以以99.95%的密度进行3D打印。

根据发表于2018年的一篇论文显示,Ti-42Nb的弹性可能比3D打印植入物之王Ti64更好,并且可能与成骨细胞和成纤维细胞具有良好的生物相容性。该论文是第一个将激光粉末床与这种材料融合在一起的文章,其他人则使用Irepa Laser的Clad或Optomec LENS,其中超弹性的LENS零件是用氧气制成的,这会对超弹性产生影响。在另一篇论文中,将结果与MIM进行了比较。2019年的另一篇论文着眼于重熔未使用的材料,另一篇论文则着眼于使用不规则粉末。

 

另一篇论文得出的结论是,该材料在SLM工艺中,将一层又一层地熔化成具有非常均匀的Nb和Ti分布的微结构。拉伸试验显示杨氏模量为60.51±3.92 GPa,极限抗拉强度为683.17±16.67 MPa,而在压缩载荷下,观察到的压缩强度为1330.74±53.45 MPa。高机械强度和低弹性模量的结合使Ti-42Nb成为骨科和牙科植入物的最合适材料。

本文中也强调了该材料所取得的积极的成果,证实了材料的较低刚度。那么,为什么弹性和刚度那么重要?人骨的杨氏模量在10至40 GPa之间,皮质骨的杨氏模量为30。Ti6Al4V的杨氏模量约为110或120,而Ti-42Nb的杨氏模量为60,这非常接近人骨的杨氏模量。植入物模拟骨骼的模数越近,则长时间工作效果越好。

 

模量不匹配可能会导致植入物失效或发生骨质疏松症。应力屏蔽是一个潜在的问题,其中骨密度降低,植入物可能松弛或失效。我们的骨骼本身会“重塑”,不断重复使用旧骨骼并建造新骨骼。如果施加机械载荷,则骨的强度将增加。在骨头内部具有吸收异物的较硬的钻头,意味着身体将产生不那么坚固的骨头。这些部分较硬,因此吸收了使身体产生较少骨量的负荷,并且总体密度将增加。低强度负荷和低强度锻炼可产生更多的应力屏蔽。更加剧烈的运动和负重会增加负重和更好的骨骼强度。但是,这种机制被植入物的不同杨氏模量和人体渴望高效而平衡的困惑所迷惑,因此其能量将流向其他地方。同时,为了发挥骨骼的作用,强度必须超高,耐磨性也必须高。生成的材料还必须是可3D打印且具有生物相容性。

 

Taniobis表示,他们的EIGA制粉具有很高的球形度非常光滑的表面,且“附着在较大粉末颗粒上的细颗粒的最少数量是在增材制造过程中实现最佳流动性能的重要先决条件。此外,通过聚结形成的较大颗粒表面上的大量粒子可能会对粉末的流动性产生负面影响,因为它们会导致摩擦和连锁效应,例如对于不规则形状的粉末所观察到的。”据Taniobis称,他们的LPBF粉末的氧含量为247 ppm,高冷却速率将树枝状结构转变为光滑的玻璃,冷却速率对粉末的微观结构产生了影响。这将创建“在构建零件中具有完全均匀的元素分布”,并且还可以具有“高弹性”。

 

这也是寻找新材料的好时机。随着人们对钛合金的钒部分以及钴铬植入物的降解及其毒性的关注。材料领域的专家并没有完全确定这意味着什么,但这可能意味着植入物的材料使用量发生了巨大变化,并且迫切需要新材料。同样,对于某些材料和植入物供应商,这可能是科学符号责任级别。此前曾有一种说法GE一直在等待植入物公司全部破产,然后将以很大的方式进入医疗设备市场。总而言之,这是Ti-42Nb出现在市场并进行表征研究和批准的绝佳时机。

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