单晶镍基合金材料性质

　　我国2016年出台的《“十三五”科技创新规划》第五章“构建具有国际竞争力的现代产业技术体系”中明确指出要大力发展新材料技术和先进高效生物技术。本次规划的重点主要集中在植介入器械、组织修复材料和前沿新技术三个大方向。

　　记忆合金在医学医疗领域的应用包括血管支架，矫形植入物方面。我国以西北有色金属研究院，中科院沈阳金属研究所，天津大学等高等院校和科研院所也进行了大量的理论研究和生产工艺研究，取得了众多的科研成果和专利技术。本期，3D科学谷与谷友一起来了解记忆合金，国内发展到那个地步了？

　　钛镍基记忆合金

　　沈阳海纳鑫科技

　　沈阳海纳鑫科技以钛镍基记忆合金丝作原料，采用激光熔覆增材制造工艺，通过对制造部件的组织控制和变形量的控制，真空自耗凝壳炉的熔池大，获得合金元素的充分均匀化，防止合金偏析。

　　通过3D打印钛镍记忆合金丝的激光熔覆增材制造步骤为：

　　-根据要制造的部件的CAD图纸，用3Dmxs软件建模；

　　-用Cura软件切片，然后把此程序输入到激光熔覆打印机的控制电脑中；

　　-根据要制造部件的壁厚和部位的不同，确定熔覆速度，激光参数，送丝速度；

　　-调定冷却用氩气的压力，流量；

　　-开始激光熔覆打印；

　　-冷却处理，成品修整。

　　3D科学谷了解到沈阳海纳鑫科技的技术不仅仅体现在3D打印过程中，还体现在前期的钛镍基记忆合金的熔炼，钛镍基记忆合金丝的制备，以及加工过程中制造部件的组织控制和变形量的控制。另外，沈阳海纳鑫科技在合金中加入了微量的稀土金属元素，主要是为了细化晶粒和调整Ms转变温度。并且，对于桨类部件的桨叶部分的变形控制，沈阳海纳鑫科技采取了对称激光熔覆的工艺，同时控制激光熔覆速度和气体冷却速度，使其各个桨叶的组织和变形量基本一致。

　　形状记忆合金血管支架

　　南京航空航天大学

　　南京航空航天大学基于自动铺粉的激光组合加工技术制备形状记忆合金血管支架，根据待加工零件的三维数据模型，利用高能激光束熔化混合粉末体系，通过逐层铺粉、逐层熔凝叠加累积的方式，直至最终成形网状结构的血管支架坯件，然后经过电化学抛光处理达到特定表面粗糙度要求。

　　3D科学谷了解到这种血管支架具有以下特点：

　　-依靠形状记忆合金所特有的超弹性功能和形状记忆效应，可有效降低血管支架在临床应用时血管再狭窄发生率；

　　-通过力学性能和模拟生物体环境测试，血管支架具有良好的生物组织和血液相容性，符合医学应用条件；

　　-基于激光组合加工技术超高制造精度的优势及成形过程中惰性气体的保护，有效克服传统血管支架制备时加工表面粗糙、毛刺和氧化等问题。

　　南京航空航天大学研发的血管支架在高温定型后，在低温时压缩 成收缩状态并压握在球囊上，外加保护鞘，当支架进入血液后，即刻达到相变温 度，从奥氏体转变为马氏体，当外部保护鞘去除后，支架自行张开到预定的直径， 起到对狭窄病变区域的支撑作用。其中，血管支架在未变形时的相为奥氏体相， 撑开后转变为马氏体相，相变会改变合金的机械性能，但不会改变其原始成分， 当发生奥氏体到马氏体相变时，材料的硬度和强度都会提高，由于NiTi合金自 身良好的生物和组织相容性，发生相变后也不会对人体产生副作用。

　　南京航空航天大学采用的合金材料为镍、钛，第三种成分为Co或Cr或V中的一种。第三种成分可使材料表面形成致密稳定的氧化膜，有效抑制孔蚀的发生，从而提高血管支架整体的耐蚀性， 保证支架在人体内部的正常工作。

　　具有4D效应的脊柱侧凸内固定矫正装置

　　广州迈普再生医学

　　现有的金属类脊柱侧弯内固定器械在Zimmer，Stryker、Medtronic 和Depuy等公司的相关专利及技术资料中都有提到，然而现有脊柱侧凸手术矫形也存在一些问题，如：假关节形成、内固定失败 (断钉、棒和脱钩等)、深部感染等；特别对于手术患者，他们的侧凸程度 往往较为严重，医生在制定手术方案时，往往面临着是选择激进还是保守治 疗的难题。

　　脊柱侧弯疾病有个特点，每个病人的脊柱变形都不尽相同，侧凸角度、 旋转角度、脊椎骨形态、侧凸位置及对周边影响、脊柱旁软组织结构都不尽 相同，临床医生有个性化器械的需求。广州迈普再生医学发现3D打印技术的进步使制造更符合病人生理构造的个性化的脊柱矫形内固定器械成为可能。4D效应就是3D打印材料自动变成为预设的模型，是在3D打印的基础上增加了时间维度，也就是广州迈普再生医学的具有4D效应的脊柱侧凸内固定矫正装置中的4D的含义，随时间可控变形的性质是通过基于应力平衡的方式实现的。

　　3D科学谷了解到广州迈普再生医学的打印过程主要包括以下步骤：

　　-通过3D打印激光烧结打印技术制备镍钛基记忆合金材料骨架，待镍钛基记忆合金材料骨架冷却后，设计弧度并进行弯折；

　　-通过3D打印熔融沉积式打印技术，在得到的镍钛基记忆合金材料骨架上沉积热塑性材料从而制备热塑性材料外壳或者单独制备热塑性 材料外壳再将镍钛基记忆合金材料骨架与热塑性材料外壳组合，其中所述镍 钛基记忆合金材料骨架的定位孔与所述热塑性材料外壳的定位销进行配合， 从而得到功能单元。

　　本文参考资料：

　　ScienceDOI:10.1126/science.aaf6524

　　Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.1600319

　　Investigations on Ni-Ti shape memory alloy using laser based AM

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