通过激光粉末床熔融技术制备的Ti-Ni微梁的力学性能与功能研究：从细丝到网状支架的演变

《Materials Science and Engineering: A》：Mechanical properties and functions of Ti-Ni micro struts fabricated by laser powder bed fusion: from thin wire to mesh-like stent

　　

摘要

激光粉末床熔融（LPBF）是一种有前景的增材制造技术，可用于Ti-Ni支架的个性化定制。这要求设计者或制造商能够完全控制支架的机械性能。由于Ti-Ni支架是由细丝构成的，其机械性能以及丝线的排列方式（即支架的结构）共同决定了支架的机械行为。遗憾的是，目前还缺乏对这种关联的系统性研究。为了解决这一空白，本研究使用了商业化的Ti-50.8% Ni粉末，探讨了通过LPBF制造的丝线及其构成的网状支架的机械性能。机械测试和微观结构观察显示，打印出的丝线会发生应力诱导的不可逆马氏体转变，从B2母相转变为B19′马氏体，从而表现出良好的塑性变形能力。经过1000°C下加热2小时的退火处理后，这种塑性变形能力得到了进一步提升。基于这些丝线制造的网状支架可以径向压缩或周向折叠成小直径形状，这一特性对于可膨胀气囊支架的植入尤为重要。此外，本文还阐明了支架结构与机械性能之间的关系。我们的研究结果为高质量的患者专用支架的设计和制造提供了重要参考。

引言

支架是一种可植入的装置，用于治疗管道器官（如血管系统、消化道和呼吸道）内的狭窄或阻塞[1]、[2]。根据植入方法，支架通常分为两种类型：可膨胀气囊支架和自膨胀支架[2]、[3]、[4]、[5]。前者通常由高塑性或延展性的金属制成，在体外压制成形后，通过充气气囊进行塑性扩张，因此被称为可膨胀气囊支架。后者则由高弹性材料制成，在体外压制成形后，由于其内在的弹性特性，能够在释放时恢复原状，因此被称为自膨胀支架。

在已知的生物相容性材料中，近化学计量的Ti-Ni是最常用的商用支架制造材料[3]。这种合金在冷却时会从B2母相转变为B19′马氏体，而在加热时则会从B19′马氏体逆转变为B2相。这些转变的温度被称为马氏体起始（M）和结束（M_f）温度，以及奥氏体起始（A）和结束（A_f）温度。当使用温度高于A_f时，合金主要以B2相存在，但在施加应力时会转变为B19′马氏体。卸载后，应力诱导的马氏体会恢复到B2相，表现出超过4%的可恢复应变[6]、[7]、[8]、[9]。由于这种应变超过了传统材料的弹性极限，这种现象被称为超弹性。相反，当使用温度低于A_f时，施加的应力会导致不可逆的马氏体转变或马氏体重排。新形成的或重新排列的马氏体无法恢复到初始状态，从而产生残余应变。也就是说，合金发生了塑性变形。Ti-Ni的A_f值对Ni含量非常敏感[6]、[7]。Ni含量超过50%的合金（例如参考文献[8]中的Ti₄₉Ni₅₁）在室温或体温下的A_f值较低，因此在这些温度下具有超弹性，非常适合制备自膨胀支架。对于Ti含量高于50%的合金（例如参考文献[10]中的Ti_50.5Ni_49.5），其A_f值高于或接近室温或体温，在这种情况下，合金可以发生塑性变形[11]，满足可膨胀气囊支架的机械要求。

章节摘录

原始粉末

本实验中使用的原始粉末由Lead Tech Co., Ltd.（中国天津）提供，其化学组成为Ti-50.8% Ni，杂质含量控制在氧0.022 wt.%以下，氮0.005 wt.%以下。

LPBF模型

图1展示了Ti-Ni丝线和支架的基本几何形状。为了便于对LPBF丝线进行机械性能测试，设计了方形的夹紧端，并将其连接到丝线上，连接处采用光滑过渡以避免应力集中。

LPBF丝线的机械性能

图2(a)显示了打印丝线的工程应力-应变曲线。红色和绿色曲线分别对应于应变幅度为4%和6%的拉伸试验。在大约0.39%的线性弹性应变后，观察到了由应力诱导的马氏体转变或马氏体重排所导致的明显应力平台。卸载时观察到约3.25%和4.75%的残余应变，表明打印丝线发生了塑性变形。

结论

本研究探讨了LPBF制造的Ti-Ni丝线及其构成的网状支架的机械性能。主要发现如下：

• (1)
  打印丝线表现出较高的拉伸变形能力，这种能力源于应力诱导的不可逆马氏体转变。打印丝线的断裂伸长率接近6.61%。
• 未经表面处理的1000°C加热2小时后的丝线由于表面形成的TiO_x氧化层而变得脆性增加；

Linhai Fan： 软件开发。 Li Liu： 项目管理工作。 Yuanyuan Gong： 文稿撰写、审稿与编辑、项目管理工作、方法学研究。 Kexin He： 项目管理工作。 Hongfa Zhang： 文稿撰写、可视化处理、数据管理。 Jiankun Wang： 项目管理工作。 Xiaohan Jiang： 项目管理工作。 Muxin Pan： 软件开发。 Guanwei Wu: 软件开发。 Li Li： 软件开发。 Yihan Wang： 实验研究。 Kehong Wang： 监督工作。 Yong Peng： 监督工作。 Yanwen Liang： 软件开发。

报告作者声明他们与本研究不存在任何利益冲突。

数据可应请求提供。

报告作者声明他们与本研究不存在任何利益冲突。

致谢

本研究得到了江苏省干部医疗保健研究项目（项目编号BJ2501）和江苏省老年病学会重点研究项目（项目编号JGS2025ZD001）的资助。