呂堅院士團隊頂刊發表綜述：結構材料的增材製造（十）

江蘇激光聯盟導讀：

近日，香港城市大學呂堅院士團隊在 Materials Science and Engineering: R: Reports 上發表綜述論文“Additive manufacturing of structural materials”該論文分別從增材製造領域的發展歷史，材料選擇，4D 打印，應用前景和趨勢展望等方面做了較爲系統的介紹。江蘇激光聯盟將陸續對其主要內容進行介紹，本文爲第十部分 ，多孔結構的增材製造以及全文展望。

4.10. 多孔解結構

不同的顯微組織，如多孔結構，其應用由於多孔結構所具有的獨特的性能和AM技術的特有的優勢，正在不斷的得到應用。應用多孔結構具有許多潛力，尤其是在採用AM技術進行製造的時候，當應用在醫療行業當中的時候，如用來製造骨頭所使用的支架，更是如此。具有不同尺寸分佈和形貌特徵的多孔支架可以採用不同的3D打印技術來實現製造。在CAD設計軟件的幫助下，設計成的不同形狀的多孔支架可以實現化學成分的調節和孔的互相連接。由於患者的個體差異，傳統的植入物不同完全滿足所有患者的需要，這就導致了傳統的植入物存在一定的限制，較差的生物機械性能以及服役週期短等問題。無論如何，不同的多孔骨支架在採用3D打印技術進行基於不同患者的個體差異進行個性化的製造，由此，個性化的植入物可以採用3D打印來完成，從而減少和排除了上述存在的問題。然而，3D打印技術可以打印多孔的骨人工小樑來製造出小樑-骨的界面能夠有效的減少發生應力屏蔽效應和延長植入物的使用壽命。

多孔支架是骨組織工程中的重要部件。多孔支架作爲細胞粘附的中間體並與此同時來刺激骨組織的生長。孔的尺寸和體積是綜合的因數，影響着多孔支架的性能。最小的孔尺寸在100到150 μm 之間是骨形成所必須的。然而，支架的孔尺寸在促進骨的形成和血管形成的時候所需要的尺寸爲要求大於300 μm。具有多孔結構的骨支架可以通過不同的方式進行製造，如氣體發泡，通過冷凍進行乾燥以及熱相的分離等。

3D打印多孔結構在過濾行業也具有潛力巨大的應用，尤其是在油水分離和水淨化的場合。圖1示意的描述了多孔膜採用AM技術進行製造的示意圖，尤其是採用DIW的辦法進行製造。事實上，多孔的膜是採用編程的柵格結構，採用PDMS墨水進行打印，使用的是超疏水材料進行打印。多孔膜的柵格結構在計算機的輔助下進行設計以獲得理想的性質，集成表面的超疏水特性，多孔的晶格可以避免界面處的弱吸附問題和獲得機械穩定性。由此，這一膜呈現出在油水分離過程中的高效率且具有低成本和沒有二次污染的特點。多孔陶瓷催化劑材料和3D打印的改性金屬-無機框架結構，見圖2所示，採用DIW 3D打印技術來製造出多層的催化劑，具有結構穩定性，高催化能力和長期服役穩定性的特點。結果顯示MOF（金屬-無機框架結構）改性的3D打印多層多孔催化劑呈現出優異的催化性能。

▲圖1. 多孔膜的3D打印示意圖

▲圖2. 採用DIW技術進行多層多孔陶瓷的打印

隨着3D打印技術的迅猛發展，3D打印多孔結構將會廣泛的應用在骨組織工程和催化領域。隨着人工智能算法爲基礎的生物學激勵的重大進展，將會對複雜的多孔結構的設計和激光加工參數的優化起到極大的促進作用，這將進一步的促進3D打印多孔結構的進一步發展。圖3爲多孔結構在醫學中的應用。

▲圖3. (a) 採用EBM技術進行製造開孔的結構時候的元素模型和 (b)EBM製造的Ti6Al4V樣品；插入ab中的爲普通網格菱形十二面體和隨機的泡沫，其中cd爲功能CAD模型和c中內部以及外部泡沫孔隙度爲83%/56%的時候的橫截面

▲圖4. EBM技術製造的患者使用的 Ti-6Al-4 V 菱形十二面體網，是CAD生成，聚合物的顱模型

▲圖5. SLM-3D 打印的，個性化的Ti-6Al-4 V 脊柱籠

▲圖6. X-ray 影像顯示髖關節置換時，採用的是EBM製造的多孔Ti-6Al-4 V 基節杯（acetabular cup (AC) ），填充的是高度交聯的聚乙烯襯裡和頭部同Ti-6Al-4 V股骨莖相連接，可以採用EBM實現不同孔隙率的製造

▲圖7. EBM製造的Co-Cr-Mo 合金作爲股骨網矯治器作爲人工全膝關節置換術的部件

▲圖8. 全膝關節置換術的模型視圖，顯示的是一個特殊的，多孔的股骨的的長期Co-Cr-Mo器件

▲圖9. 採用粉末牀技術製造的多孔植入物

5. 展望

本綜述幾乎覆蓋了增材製造的所有領域，包括用於AM製造的結構材料，如聚合物，金屬，陶瓷，玻璃和複合材料，以及他們的潛在的應用。進一步的，新型的AM製造所用的策略的展望也進行了介紹，見圖10所示，包括 MMa-AM, MMo-AM, MSc-AM, MSy-AM, MD-AM和 MF-AM. 其中MMa-AM將包括材料的組合打印的主材料，支撐材料和介質材料。採用 MMo-AM和 MSc-AM打印的軟的/剛性的材料系統和層狀結構將會呈現出優異的性能。MSy-AM 包括材料-結構-工藝-性能之間的集成和製造。MD-AM具有兩層含義：一是打印的尺寸從2D3D/4D 進行變化，甚至到更高的層級，其次是打印的次精度隨着點點打印，線線打印到層層打印和體體打印，甚至到塊體塊體打印，見圖11所示。MF-AM, 或 AM+,包括預先編程，實時處理，或者打印結構材料的後處理等，來生成功能材料以滿足不同的應用。而且，3D打印機還可以打印幾乎所有的材料，如圖12所示。

▲圖10. 結構材料AM製造的多個用途

▲圖11. 多維增材製造，高的尺寸和高的打印效率

▲圖12. 3D打印幾乎可以打印所有的實物，包括它自己

全文完畢，江蘇激光聯盟激光紅感謝大家的關注，歡迎繼續關注我們的產品！

本文爲江蘇省激光產業技術創新戰略聯盟原創作品如需轉載請標明來源，謝謝合作支持！原文以"Materials Science and Engineering: R: Reports"發表在Addive manufacturing of structural materials上。