【摘 要】
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随着人口老龄化程度持续加深,我国每年进行的骨科手术量与日俱增。目前临床使用的金属骨植入体主要通过铸造或机加工等方法制备,使用材料不具有生物活性。实体金属过高的弹性模量和材料的生物惰性极易导致骨质疏松与植入体松动。激光选区熔化技术（SLM）作为增材制造技术中的一种,凭借其工艺特点可实现高性能金属的制备,同时满足植入体在复杂结构制备方面的要求。Ti-Ta合金和Zn合金分别是针对承重与非承重骨缺损治疗的
【基金项目】
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华中科技大学学术前沿青年团队“高性能构件材料结构一体化多能场增材制造技术”; 国家重点研发计划“骨与关节个性化植入假体增材制造关键技术的研发及临床应用”（编号 2016YFB1101303）; 国家自然科学基金面上项目“SLM 成形金属骨骼修复体材料与结构双梯度过渡层基础研究”（编号:51375189）
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随着人口老龄化程度持续加深,我国每年进行的骨科手术量与日俱增。目前临床使用的金属骨植入体主要通过铸造或机加工等方法制备,使用材料不具有生物活性。实体金属过高的弹性模量和材料的生物惰性极易导致骨质疏松与植入体松动。激光选区熔化技术（SLM）作为增材制造技术中的一种,凭借其工艺特点可实现高性能金属的制备,同时满足植入体在复杂结构制备方面的要求。Ti-Ta合金和Zn合金分别是针对承重与非承重骨缺损治疗的理想材料。传统方法制备的Ti-Ta合金和Zn合金组织晶粒粗大,化学均匀性较低,力学性能较差,无法充分利用合金元素。针对目前合金制备难题,本文开展基于SLM技术的Ti-Ta合金和Zn合金多孔结构的原位制备,力求通过熔池中热对流与超快凝固速率提升元素相互扩散和晶粒细化程度,实现低模量高强生物活性植入体的一体化制备。围绕原位合金化调控、微观组织演变、力学性能及耐腐蚀性能等方面开展研究。主要内容如下:提出一种具有高强度模量比、生物活性和良好骨再生能力的Ti-Ta合金多孔结构原位制备方法。系统研究Ti-Ta合金原位制备机理、微观组织、力学性能、生物活性和成骨能力。基于SLM技术成功制备无缺损Ti-Ta合金多孔结构,合金成分比例接近原始设计,多孔结构具有良好屈服强度、匹配松质骨的弹性模量和优异的弹性允许应变。Ti-Ta合金中存在多种强化机制,包括超细晶粒（～1μm的胞状β亚晶粒和～50?nm的针状α’晶粒）引起的细晶强化,β（Ti,Ta）固溶体引起的固溶强化和大量层错与位错引起的位错强化。体外活性实验表明,表面自钝化生成的Ta2O5薄膜有效促进类骨磷灰石的沉积。相比于纯Ti,Ti-Ta合金可有效增强细胞粘附蛋白分泌、细胞活性和成骨基因的表达。动物实验表明,Ti-Ta合金多孔结构具有加快骨重建速度同时增强骨界面结合的能力。提出一种高强度活性Zn-Mg和Zn-Mg-Cu合金多孔结构的原位制备方法。系统研究Zn-Mg和Zn-Mg-Cu合金的微观组织、力学性能、电化学特性与降解特性。Zn-Mg和Zn-Mg-Cu合金由HCP-Zn相和Mg2Zn11组成,晶粒形状为枝晶状和胞状,晶粒尺寸分别为1.66μm和1.21μm。与纯Zn相比,Mg和Cu元素的加入促进了晶粒形核,抑制了晶粒的长大与择优取向的出现。Mg和Cu元素的协调作用下,合金具有适配骨修复的腐蚀速率。动态降解实验前后,两种合金多孔结构均展现出匹配松质骨的力学性能,同时出现基于腐蚀降解驱动的自增强效应。Zn-Mg合金的力学强化机制包括Mg2Zn11引起的Orwan强化、超细胞状晶引起的细晶强化和位错纠缠引起的位错强化。生物相容性实验表明Mg元素的加入大幅改善纯Zn的细胞相容性。系统研究Zn-Mg合金多孔结构的腐蚀疲劳行为及疲劳加载循环对微观组织的影响规律,发现一种腐蚀降解驱动的疲劳自增强机制。与纯Zn多孔结构相比（疲劳强度9.59 MPa,应变2.82%）,Zn-Mg合金多孔结构具有更高的疲劳强度与更低的应变量（疲劳强度31.4 MPa,应变2.35%）,循环载荷过程中抗变形能力更强。Zn和Zn-Mg多孔结构均以疲劳棘轮应变为失效模式,拉应力集中是裂纹萌生的主要原因。腐蚀疲劳过程中形成的Zn O/Zn（OH）2腐蚀产物有助于提高Zn和Zn-Mg合金多孔结构疲劳性能,产生自增强效果。Zn-Mg合金多孔结构在疲劳循环中可有效抑制晶粒粗化与择优取向的出现,降低多孔结构内部残余应力。
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