作者

钟诗宇, 张磊, 李莹, 王婉莹, 李干, 罗宇伦, 张丁非, 吕坚^*

机构

香港城市大学， 重庆大学

Citation

Zhong S Y,Zhang L, Li Y, Wang W Y, Gan Li, Luo Y L, Zhang D F, Lu J. 2025. Superelastic NiTi scaffolds with extensively tuneable mechanical and mass transfer properties. Int. J. Extrem. Manuf. 7 065507.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/adf01e

撰稿 | 文章作者

1.文章导读

金属支架是治疗局部骨缺损的关键植入物，需精准匹配天然骨的区域特性。然而，传统金属支架可恢复应变（ε_rec < 1%）显著低于天然骨（ε_rec = 2–4%）。少数NiTi支架虽表现出ε_rec > 4%的超弹性，却难以协同调控力学与传质性能以适配不同骨位点需求。

近日，香港城市大学吕坚院士团队在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）发表了题为《力学与传质性能宽域可调的超弹性NiTi支架》的研究，并被选为当期封面论文（第7卷第6期）。该研究采用激光粉末床熔融（LPBF）技术，通过微–宏观协同优化，构建了具备分级微观结构与gyroid-sheet宏观构型的NiTi支架。该设计通过强化可逆马氏体相变实现了可观的超弹性（ε_rec > 4%），并通过调节支架体积分数与单胞尺寸实现了力学与传质性能的宽域调控，从而显著提升了支架的适用性。

第7卷第6期动态封面

图1 具有宽域性能调控特性的超弹性NiTi支架设计与制备思路。

2.图文解析 

微观组织优化的核心在于构建由高密度位错、亚微米级与微米级奥氏体晶粒组成的分级微观组织。这种奥氏体相主导的分级微观结构将显著提升位错滑移的阻力，确保应力诱导马氏体相变为主要变形机制。

图2 新型NiTi支架的微观组织与相变特征。(a) 粉末形貌与成分。(b) DSC曲线。(c) XRD图谱。(d) EBSD图像，显示了微米级奥氏体晶粒。(e) SEM与TEM图像，显示了亚微米级奥氏晶粒. (f) TEM图像，显示了高密度位错。(g) SAED与HRTEM，对应(e)中白色虚线区域。(h) XRD极图，表明无明显织构。

宏观结构优化的关键在于构建具有均匀应力分布和高连通孔隙特征的拓扑构型，这将有助于减缓局部应力集中引起的塑性变形并促进支架的高效传质。以具备优异综合性能的gyroid-sheet三周期极小曲面为例，采用高精度LPBF技术制备了不同体积分数与单胞尺寸的NiTi支架。

图3 新型NiTi支架的宏观构型与模型精度分析。(a) 支架的宏观形貌与SEM图像。(b) 整体精度统计。(c–e) 沿构建方向分层缺陷统计。

微观与宏观结构的协同优化使NiTi支架实现了高达6%–7%的ε_rec及30–150 MPa的宽域循环应力。该工作中NiTi支架的性能显著优于文献中报道的结果，后者往往表现出超弹性不足、循环应力较低且不可调的特点。对比研究表明，仅对微观组织或宏观构型进行优化的支架，其ε_rec分别为3.7%与3.2%，循环应力不足50 MPa；而经过协同优化的支架，其ε_rec与循环应力分别超过6%和100 MPa。这一结果凸显了协同优化的有效性与必要性。具体而言，性能提升的关键在于协同优化有效抑制了由位错滑移阻力不足与局部应力集中引发的塑性变形，促进了应力诱导马氏体相变。

图4 NiTi支架超弹性与循环应力对比。(a) 文献中NiTi支架的超弹性及循环应力比较。(b) 协同优化、仅微观组织优化与仅宏观构型优化的结果对比。(c) 微观组织优化前后的形貌对比。(d) 宏观构型优化前后的有限元模拟对比。

在传质性能方面，过低的渗透率会阻碍营养物质与代谢废物的输运，而过高的渗透率则不利于成骨细胞的附着与生长。通过灵活调节支架的体积分数与单胞尺寸，实现了6 × 10⁻⁹至150 × 10⁻⁹ m²的宽域渗透率，从而有助于满足不同部位骨组织对渗透率的差异化需求。

图5 新型NiTi支架的传质性能。(a) 渗透率与体积分数、单胞尺寸的变化关系。(b) 文献中支架渗透率与体积分数的关系。(c–e) 流体在支架中流动的有限元模拟。

3. 总结与展望

该研究面向骨植入领域对高性能金属支架的迫切需求，针对现有NiTi支架难以兼顾超弹性、力学性能和传质性能的挑战，提出了微–宏观协同优化的新策略。基于此策略制备的新型NiTi支架不仅表现出显著的超弹性，还通过体积分数与单胞尺寸的调控实现了力学与传质性能的宽域可调。该工作为开发新一代人造骨支架及其他多功能耦合超材料提供了新思路。未来的研究可进一步考察此类支架的生物相容性与长期服役性能，以推动临床应用进程。

4.作者简介

吕坚

香港城市大学

吕坚院士（通讯作者）：法国国家技术科学院（NATF）院士、香港工程院院士、香港材料研究会理事长（HKMRS）、香港城市大学机械工程系讲座教授、工学院院长、国家贵金属材料工程研究中心香港分中心主任、先进结构材料中心主任。

研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的制备和力学性能，结构与功能材料的设计及增材制造，图灵及高熵合金催化剂在电解水制绿氢及燃料电池与污水处理，超高灵敏度表面增强拉曼光谱（SERS）及在心脑血管疾病早期快速诊断，环保，食品安全等领域的应用。中国科学院首批海外评审专家，中国科学院沈阳金属所客座首席研究员，西安交通大学、东北大学、北京科技大学、南昌大学名誉教授，西北工业大学、上海交通大学和西南交通大学顾问教授，中国科学院知名学者团队成员，2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。

已取得84项欧、美（50项）、中发明专利授权，在本领域顶尖杂志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Nature Chemistry, Nature Water， Science Advances、Nature Communications、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials, JACS, Angew. Chem., JMPS, Acta Materialia, Additive Manufacturing, International Journal of Extreme Manufacturing等专业杂志上发表论文580余篇，引用五万余次。

个人主页：

https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

张磊

南昌大学

南昌大学特聘教授，博士生导师，入选2022年国家人社部香江学者，2024年江西省赣鄱英才-创新领军人才，围绕力学/功能超材料设计及其激光增材制造开展研究。主持国自然青年基金、江西省重点研发计划、军科委JCJQ重点基础项目子课题、装发部装备预研基金项目等7项。在Nature Communications、Acta Materialia等期刊发表论文30余篇，其中，第一作者（含共一）15篇，Google学术引用1500余次，H因子21，授权发明专利10余项，主编中、英文专著共2部。担任中国有色金属学会增材制造分会委员，担任RareMetals等期刊青年编委、Biomimetics等SCI英文期刊的客座主编，担任国际会议分会主席、邀请报告10余次，增材制造超材料结构相关理论成果被国家基金委网站报道。

钟诗宇

香港城市大学

钟诗宇（第一作者）：香港城市大学机械工程系2022级博士生，师从吕坚院士，研究方向为高性能NiTi基材料及其超材料的设计与激光增材制造。截至目前，以第一作者身份在Int. J. Extreme Manuf.，Addit. Manuf., J. Magn. Alloy., J. Mater. Sci. Technol., Acta Mater.等专业期刊上发表了研究成果。

关于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing (《极端制造》），简称IJEM，中国机械工程学会极端制造分会会刊，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子21.3，位列工程/制造学科领域第一。中国科学院分区工程技术1区，TOP期刊。入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊。

期刊网址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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