具有可控结构多孔镁支架的3D打印

作者:晏梦雪、田小永
来源：机械制造系统工程国家重点实验室

由于镁作为人体中不可缺少的矿物质元素之一，镁以及镁合金材料均具有良好的生物相容性，其中，作为生物支架材料，其可在人体内注浆降解生成镁离子，并被周围基体组织吸收或者随体液排出，故镁以及镁合金支架的3D打印具有非常广泛的应用背景。利用3D打印技术在成形复杂结构方面的优势，3D打印的多孔镁支架的孔隙率可在较宽的范围内进行调整，且具有可控的孔隙形态与宏观结构。然而，由于镁元素作为一种活泼金属，熔融状态下的镁易于与氧气发生反应，给这种材料的选择性激光熔融成形带来一定的困难。

早在2011年，就有学者提出利用3D打印技术采用3步法实现多孔镁支架的制备，其过程如图1所示。然而这种成形方式需要较长的脱脂时间，成形过程复杂。

图1 三步法制备多孔镁支架

近期，苏黎世理工大学Kleger N, Cihova M, Masania K等利用NaCl作为致孔剂在成形多孔材料方面的广泛应用，但是其作为致孔剂一般只用于随机孔隙结构的成形，为了解决这一问题，课题组采用直写工艺（Direct Ink Writing, DIW）首先实现NaCl胶体的3D打印，经过高温烧结成形具有一定强度的NaCl模版，然后进行镁熔液的压力铸造，最终，通过在碱性溶液中去除其中的NaCl，实现具有可控结构的多孔镁支架的3D打印成形，如图2所示。与三步法相比，该方法的成形过程更为简单，不需要较长的脱脂过程，同时也拓展了可成形的结构类型。

图2 以NaCl做模版进行多孔镁支架的成形过程

参考文献：
Nguyen TL, Staiger MP, Dias GJ, et al. A novel manufacturing route for fabrication of topologically‐ordered porous magnesium scaffolds[J]. Advanced Engineering Materials, 2011, 13(9): 872-881
Kleger N, Cihova M, Masania K, et al. 3D Printing of Salt as a Template for Magnesium with Structured Porosity[J]. Advanced Materials, 2019.