材料科学家正在研究对植入物的改进

诸平

据澳地利莱奥本矿业大学 (Montan University Leoben / Montanuniversität Leoben, Jahnstraße 12, Leoben, Austria)2024年5月6日提供的消息，材料科学家正在研究对植入物的改进(Materials scientists are researching improvements to implants)。莱奥本矿业大学的一组材料科学家正在利用增材制造（additive manufacturing）技术改进医疗植入物。他们的研究成果2024年3月19日已经在《高级功能材料》（Advanced Functional Materials）杂志网站上发表——Sepide Hadibeik, Hossein Ghasemi-Tabasi, Andreas Burn, Sébastien Lani, Florian Spieckermann, Jürgen Eckert. Controlling the Glassy State toward Structural and Mechanical Enhancement: Additive Manufacturing of Bulk Metallic Glass Using Advanced Laser Beam Shaping Technology (Adv. Funct. Mater. 12/2024). Advanced Functional Materials, 2024, 34(12): 2470066. DOI: 10.1002/adfm.202470066. First published: 19 March 2024. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202470066

参与此项研究的有来自澳地利莱奥本矿业大学（Montanuniversität Leoben, Jahnstraße 12, Leoben, Austria）、瑞士先进制造中心{Swiss Advanced Manufacturing Center (SAMC), Switzerland Innovation Park Biel/Bienne, Aarbergstrrasse 46, 2503 Biel/Bienne, Switzerland}以及奥地利科学院埃里希·施密德材料科学研究所(Erich Schmid Institute of Materials Science, Austrian Academy of Sciences, Jahnstraße 12, 8700 Leoben, Austria)的研究人员。

来自澳地利莱奥本矿业大学材料科学系的工程学硕士塞皮德·哈迪拜科（Sepide Hadibeik）、弗洛里安·施皮克曼（Florian Spieckermann）博士和于尔根·埃克特（Jürgen Eckert）与位于比尔的瑞士先进制造中心（Swiss Advanced Manufacturing Center in Biel）的研究人员合作，首次使用了一种先进的金属玻璃增材制造工艺。标准合金目前用于3D打印，但通常无法达到传统制造工艺的性能。“我们正在研究新的合金来改变这种情况，”弗洛里安·施皮克曼解释说。他们使用强大的激光束来塑造这些特殊的金属。

金属玻璃（Metallic glasses）

调查的起点是所谓的金属透镜（metallic lenses）。与传统的窗口或眼镜镜片相比，这些镜片具有不同的特性。它们的结构是无定形的，即原子没有重复的结构，因此不是结晶的。这种结构也改变了它们的物理特性:它们比传统金属更坚硬、更耐腐蚀、更坚固。作为研究的一部分，可以生产几乎完全无定形和致密的金属玻璃样品，从而优化原子顺序以提高生产率和抗断裂性。

新方法（New method）

以前生产这种金属玻璃的方法只能生产小零件。但现在，研究人员正在展示他们的新激光束工艺为生产大型复杂结构提供了有希望的结果。到目前为止，生产类似金属的3D打印机存在一个问题:当加热时，已经凝固的层再次变得太热。这损害了它们的机械性能。但有了这种新方法，研究人员可以更好地控制温度，并通过使用特殊光学元件将激光束塑造成平坦、宽阔的形状，从而改善玻璃的性能。这使得材料更加稳定和灵活。这项新技术可以极大地扩展金属玻璃和其他合金生产的可能性，”塞皮德·哈迪拜科解释说。当被问及这些发现可以应用在哪里时，研究小组想到了医疗植入物和电子工业的组件。

埃里克·施密德研究所（Erich Schmid Institute）简介

埃里克·施密德材料科学研究所（Erich Schmid Institute for Materials Science）简称埃里克·施密德研究所（Erich Schmid Institute简称ESI）是奥地利科学院(Austrian Academy of Sciences / Österreichische Akademie der Wissenschaften简称ÖAW)与莱奥本矿业大学合作建立的一个研究机构。该研究所的主要研究领域是化学、物理和生物化学。它专门从事钢或合金等材料以及功能材料(如植入材料)的微观结构研究、实验和建模。

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Ankur Pandey, Swagatadeb Sahoo. Progress on Medical Implant: A Review and Prospects. J Bionic Eng, 2023, 20, 470–494. https://doi.org/10.1007/s42235-022-00284-z

Graphical Abstract

Laser Beam Shaping Technology

In article number 2311118, Sepide Hadibeik, Hossein Ghasemi-Tabasi, and co-workers develop advanced free form laser beam shaping for 3D printing of metallic alloys. Using liquid crystal on a silicon device and modifying the laser wavefront, unparalleled flexibility in adjusting laser energy density and melt pool shape during the manufacturing process is possible, enabling manufacturing of near fully amorphous bulk metallic glass parts with enhanced properties previously unattainable with current state-of-the-art machines.