BOB综合体育官网app下载-中南大学：增材制造异质结构及其生物医学应用

作为一类新奇的布局/材料特点，异质布局是由具有显著分歧理化特征的异质区构成。异质区构建的怪异界面、安定布局，和其交互耦合发生的协同效应，使其具有传统均质材料/单一布局没法实现的出色力学机能和生物功能。异质布局可作为一种很有前程的生物医用材料，知足个别患者的定制化和功能复杂的多样性需求。但是，开辟异质布局的首要挑战在在若何精准地节制晶体/相的演化，和成份和布局的散布/比例。 作为一种进步前辈制造手艺，增材制造的快速冷却、逐层聚积和屡次热轮回的特征，为调控微不雅布局和力学机能供给了可行性，同时可实现具有复杂几何外形部件的近净成形。因而可知，增材制造在定制布局、协同制造方面显示出怪异的矫捷性，为开辟异质布局材料供给无穷可能。 近期，中南年夜学电机工程学院、极端服役机能精准制造全国重点尝试室帅词俊传授、高成德副传授团队在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上配合颁发《增材制造异质布局和其生物医学利用》论文，为鞭策增材制造在高机能异质布局中的利用供给了科学指点和研究鉴戒。本期谷.专栏将对该文的研究布景、最新进展和总结进行分享。 论文链接： https://doi.org/10.1088/2631-7990/acded2 该论文起首提出了异质布局的功能机制、布局特点、材料系统，并从力学机能、生物相容性、生物降解性、抗菌机能、磁致伸缩机能等方面重点阐发了异质布局的协同效应；然后，从工艺特点与成型优势动身，会商了增材制造开辟异质布局生物材料的研究功效与现有挑战，特殊阐发了异质布局在生物支架、血管、传感器和生物检测等生物医学方面的利用价值；最后，作者还提出了增材制造异质布局的将来研究标的目的和冲破点，和其在预防传染和药物输送方面的利用前景。 本文阐发了异质布局在生物医学范畴的利用价值，特别聚焦在生物支架、血管、生物传感器和生物检测等方面。 图1 增材制造异质布局和其生物医学利用。 研究布景 持久以来，器官修复、替换乃至再生一向是移植医学所面对的首要挑战。是以，开辟支架、血管化组织、传感器等植入物，以实现缺损器官的功能替换的方针，已燃眉之急。人体组织和器官的布局复杂、精度极高，同时具有多样化的功能特征。是以，生物支架应具有恰当的生物功能和纳米/微米级拓扑布局，以填补复杂器官的缺损，从而构成有益的连系位点，积极调理和节制组织细胞的行动，同时与宿主细胞彼此感化。另外，生物支架应具有近似自然器官的宏不雅/微不雅布局，能为各类人体细胞和组织的发展供给空间和情况，同时也可作为发展因子的载体。这些特点对具有多种机能特点的生物植入物的多布局、多材料和进步前辈制造手艺提出了极高的要求。但是，今朝开辟的生物植入物都是由单一或均质材料构成，难以知足多机能特点的需求；另外一个要害问题是其布局单一，与复杂人体器官的生物和力学机能难以匹配，例如激发“应力屏障”、炎症、细胞凋亡和人体组织毁伤。是以，火急需要开辟一类新奇材料/布局，以知足生物植入物的严酷要求。 最近几年来，异质布局应运而生，为植入物的开辟供给了庞大潜力与机缘。异质布局表示出在区域之间有较着材料/布局上差别的特点，凡是以宏不雅/微不雅布局异质性（梯度、片状、层状、谐波等）、晶体异质性（标的目的、巨细等）或成份异质性（金属、高份子、陶瓷等）的情势显现。正因如斯，异质布局的材料凡是显现出多样性，包罗良好的生物相容性、抗菌性、可降解性、磁致伸缩性、力学机能和其他功能特征等。这不但鞭策了异质布局在航空航天、能源贮存和周详电子方面的利用，也增进了其在改良生物植入物（骨骼、牙齿、组织、血管等）机能方面的成长。但是，在材猜中构建异质布局的首要挑战在在若何切确节制晶体/相的演化，和异质区的成份和布局的调控。是以，愈来愈多的研究偏重在异质布局的进步前辈工艺手艺的开辟，此中，增材制造手艺因其高度的矫捷性而备受存眷。增材制造，即3D打印手艺，经由过程烧结、融化、光固化和喷涂等体例，将特定的金属、非金属和其复合材料逐层堆叠，构成个性化的、复杂化的、周详化的产物。增材制造可以或许在多个标准上对布局和成份进行计谋性调控，这为开辟具有史无前例的特征的异质布局供给了一个较有潜力的思绪。最近几年来，增材制造被愈来愈多地利用在开辟异质布局的植入物，包罗生物支架、生物传感器、血管、组织工程、生物检测和生物成像等。生物植入物的异质布局的特点和机能可以经由过程各类可定制的参数和设计方案来节制，首要3D打印的原材料、打印路径、温度、速度、尺寸等。是以，关在增材制造为异质布局的开辟和其在生物范畴利用的研究进展、挑战和将来成长，作者进行了综述和会商。 3D科学谷白皮书 最新进展 由宏不雅/微不雅布局、晶体、相或成份的异质区激发的彼此耦合感化，付与材料力学机能、理化机能和生物功能特征间的协同效应，使得材料自己具有了传统同质材料/布局难以到达的尖端机能。作者起首概述了异质布局的研究近况，包罗感化和机制、布局特点、材料系统和协同效应。 l异质布局的感化机制 异质布局具有超卓的功能特征，包罗力学机能、生物相容性、抗菌性、耐侵蚀性、生物降解性等。例如，经由过程节制纳米耦合构成岛状异质布局，在高熵合金中实现了力学和生物功能的完善连系。另外，在定制生物材猜中添加金属原子、自然抗菌化合物或抗氧化剂，可付与其尖真个抗菌和抗细粘附功能，加强其抵bob综合体育app官网下载抗假体关节传染的能力。很多生物活性因子，包罗药物、皮质类固醇和发展因子，也被用在生物医学、临床实验或新兴研究，以免炎症或增进新骨组织的构成。 l异质布局的布局特点 今朝，研究者致力在经由过程开辟特定的异质布局来同时提高强度、塑性、侵蚀性和硬度等。这些特定的布局首要包罗梯度布局、片状布局、层状布局、谐波布局、纳米域布局、纳米孪晶布局、生物分级布局、多孔布局，和分歧生物材料/细胞外基质（ECM）、细胞和生物活性因子的异质整合布局。如图2所示，为四种典型的异质布局图。这些非凡布局的配合点是它们都由具有分歧力学、物理和化学特征的异质区构成。虽然如斯，异质布局的综合机能仍可按照晶体/相的演化和成份和布局的散布/比例进行猜测和调控。 图2 四种典型的异质布局：（a）片状布局；（b）层状布局；（c）梯度布局；（d）谐波布局。 l异质布局的材料系统 异质布局的优良机能归功在布局或成份的异质性。是以，选择适合的材料对开辟异质布局而言相当主要。为了开辟和设计异质布局的材料，研究者提出了很多新材料的设计和整合策略，如异质布局的金属、高份子和陶瓷。进一步地，由金属、陶瓷和高份子构成的异质布局复合材料，其生物功能源在各成份的特征的协同感化，如图3-4所示。例如，有机和无机单位之间强烈的协同感化会发生全新的或改良的理化机能。堆积在有机-无机鸿沟概况上的纳米布局可以发生分歧在其零丁成份的光学或电学特征，从而发生协同的机能。在医疗电子、人工假肢、智能机械人等高科技范畴的成长、冲破和利用前景广漠。 图3 高份子材料：（a-c）岛状生物支架；（d）份子布局和自组装；（e）基在肌肉开导的多功能异质布局的水凝胶。 图4 异质布局的复合物：（a-c）金属和陶瓷复合的层状异质布局；（d-e）基在自然珍珠层开导的仿珍珠层的异质布局复合材料。 l异质布局的协同效应 异质布局正敏捷成为材料/布局范畴的一个主要研究热门，由于它们不但具有传统单一布局或均质材料难以企和的力学、物理和化学机能，并且还引入了一种新的材料科学手艺，对传统的认知和设计提出了挑战。辨别异质布局与传统多材料的一个要害性尺度是异质布局具有显著的协同效应，即其力学或理化机能远高在单个区域成份机能夹杂法则所猜测的机能。对力学机能而言，在全部塑性变形进程中，异质布局材料的异质区在外力感化下会产生不平均变形，即在软区发生背应力，在硬区发生前应力，二者耦合激发异质变形引诱（HDI）机制，并由背应力引发额外的HDI强化和HDI硬化，配合提高屈就强度，加强应变硬化，并起到连结延展性的感化。 同时，与材料的强度-塑性衡量问题近似，功能材料（如生物材料、储能材料、催化剂等）也有很多彼此矛盾的机能，如透明度和导电性、磁化率和矫顽力、耐热性和抗冲击性、疏水性和亲水性、极化和击穿强度、反映物活动性和催化活性位点等。潜伏的综合机能常常是经由过程布局或成份设计在彼此冲突的特征之间做出奥妙平衡的成果。例如，在开辟具有特定机能（首要包罗生物相容性、可降解形、抗菌性、磁致伸缩性等）的布局或成份的根本上，制造出一种具有异质布局的生物材料，它连系了一种或几种生物和力学机能。 图5 由硅纳米膜、过渡金属二硫化物纳米片和铁纳米催化颗粒组成的可降解的异质布局材料。 在材猜中构建异质布局的首要挑战在在若何切确调控晶体/相的演化，和异质区的成份和比例的优化。作为一种进步前辈的制造手艺，增材制造可以经由过程计谋性地调理融化和凝固进程，节制复杂三维散布中的沉积密度和标的目的性，和经由过程改变能量的速度和路径来组合多材料/多布局，从而实现量身定制的晶体/相演变和成份和布局的散布/比例。在开辟异质布局以改良力学机能、生物特征和其他功能方面，增材制造的庞大潜力正一步一步地发掘。在异质布局开辟和设计方面，作者对几种典型的增材制造手艺进行了会商和综述。 l增材制造异质布局 选区激光融化手艺（SLM），在开辟异质布局以实现晶粒尺寸、相布局调控方面显示出庞大优势。经由过程优化扫描策略，以取得所需异质布局的植入物，这首要是在植入物的制造进程中，经由过程改变激光在分歧区域的加工前提，来节制分歧打印层的晶粒巨细、相散布和特定位置的异质微不雅布局。是以，SLM可以开辟具有定制布局的金属植入物，从而付与材料力学机能和生物机能的协同效应。 图6 SLM 增材制造手艺开辟的谐波布局植入。 电子束融化手艺（EBM），具有污染小、能量操纵率高且无反射的特点，其超高速电子束可实现粉末融化前的预热结果，可有用下降热应力影响，更合用在活性的罕见金属和高温合金的成型。最近几年来，愈来愈多的研究者采取EBM开辟异质布局的医用钛植入物，包罗多孔布局、梯度布局，来下降钛合金的弹性模量、提高其耐侵蚀能力，同时付与材料增进骨再生的功能（图7）。 图7 EBM增材制造手艺开辟异质布局的金属植入物。 近场静电纺丝手艺（NFES）是最简单、最有用的增材制造手艺之一，已成为制造高份子基材料的另外一种进步前辈工艺，可最小化传统电纺丝中与溶剂相干的缺点。NFES已被用在异质布局非金属材料的开辟，这进一步增进了高份子基材料在尖端范畴的利用，包罗作为高机能生物材料的生物支架、生物传感器、药物输送和电子装备等。另外，具有分辩率的电子喷射（E-jet）打印手艺，在生物制造范畴具有精度高和材料合用性广的优势，已成功利用在生物植入物、传感器、晶体管和光电器件等浩繁范畴。是以，也愈来愈多的异质布局非金属材料的开辟都基在这项手艺。总之，异质布局聚合物已被评估为最合适制造再生生物支架的材料，并在生物医学和临床医治范畴显示出庞大潜力，如三层型异质布局的血管化支架（图8）、定向毛细管状异质布局支架（图9）。 图8 NFES打印：（a）三层型异质布局的血管化支架；（b）定向毛细管状异质布局支架。 图9 E-jet打印：（a-c）双层管状异质布局的支架；（d-f）三层异质布局的支架；（g-h）阵列的纳米异质布局支架。 与其他范畴的材料/布局开辟比拟，开辟生物材料的最年夜目标是实现多种功能和复杂布局的协同效应，以知足人体情况的需要。但是，制造由单一布局或均质复合材料构成的生物植入体具有很年夜的局限性，难以知足人体多样化的需求。颠末持久的摸索和尝试，增材制造手艺开辟和设计出的异质布局生物材料，因其多样的布局特点和功能机理，在医学植入物利用中揭示出庞大的潜力。接下来，针对增材制造异质布局在生物医学范畴的利用，作者进行了综述。 l增材制造异质布局的生物医学利用 用在制造生物支架的进步前辈手艺已获得普遍开辟，这些生物支架可与人体细胞一路培育，然后植入受伤器官。机能出色的生物支架利用可否成功取决在经由过程节制其成份和布局所带来的协同效应，如各类物理化学机能与生物功能特征的连系。就分级布局而言，功能梯度被利用在每一个布局条理，以系统地调理骨骼特征。经由过程SLM制造出了基在三周期最小概况的多孔钛合金支架（图10），具有密度和细胞巨细梯度模式，将超卓的力学机能和生物功能更好地连系，在营养物资和氧气的分散和废料的断根方面起侧重要感化。另外，为了降服器官再生方面的细胞增殖和分化等要害问题，研究发现，操纵进步前辈的增材制造手艺制备异质布局生物移植体可以知足植入物的复杂功能需求（图11）。 图10 仿生人体骨布局，采取SLM手艺开辟的分级布局的钛合金支架。 图11 三层异质布局的硬脑膜植入物。 再生医学和组织工程需要具有定制生物和理化机能的功能性组织布局。但是，年夜大都组织工程手艺首要用在建立无细胞支架和模具，成型后必需进行细胞填充和增殖。是以，开辟具有功能特征、组织化和血管化的三维组织植入物还是一项庞大挑战。作为冲破性进展，研究者采取生物3D打印生物水凝胶，开辟了一种血管化组织布局，以知足生物医学需求（图12）。这类高度可调控的异质布局血管包括ECM和可增殖细胞，撑持乃至增进内皮细胞的附着和增殖，使内皮细胞摆列在血管壁上，为液体分散供给樊篱，同时增进均衡功能。跟着手艺的进一步完美，将来可能会呈现细胞增殖的3D组织布局，并终究直接生成器官。 图12 生物3D打印由血管、细胞和ECM构成的异质布局植入物。 另外，增材制造异质布局的生物材料，在定制的电子感应、光电或磁特征材料方面表示出庞大潜力，这增进了纳米医学、生物成像、生物标识表记标帜、生物检测、生物医治和生物传感器的成长。 图13 （a-c）超活络的石墨烯/MoS2异质布局的生物检测器；（d-e）基在虫豸触手开导的PB-TiO2异质布局的生物传感器。 将来瞻望 增材制造开辟异质布局植入物为实现尖端生物医学机能供给了一系列可行性策略，增进了异质布局在各类生物医学范畴的普遍利用。但是，仍存在一些亟待降服的挑战。 一方面，需要深切研究异质布局中多种功能或强化机制（如固溶、位错积累、第二相分离、HDI、孪晶和应变引诱相变）激发的协同效应，以肯定它们对微布局演变和成份耦合的终究机能的彼此影响。摸索相干的感化机制将有助在揭露异质布局的根基物理和工艺-布局-机能间内涵联系。 另外一方面，区域的异质性答应拓展微不雅布局和机能的差别化，包罗异质的晶粒尺寸、相布局、析出物，和力学、磁、侵蚀、电化学、催化、热或生物机能等方面。是以，它们有望降服材料科学范畴典型的衡量问题。这项工作鼓动勉励工程制造和材料科学范畴展开更多的相干研究，例如从年夜天然中取得更多生物开导来开辟异质布局，以实现进级或更替传统材料的终究方针。 最后，各类异质布局的微不雅布局、构成和在心理前提下激发的协同效应仍有待进一步揭露。特殊要指出的是，找出决议综合特征的最好工艺参数和成份配比是进一步成长的要害。这就要求科学家们连系尝试、理论和建模研究，构建成份-布局-机能的潜伏关系，并揭露内涵的协同效应，从而 得出异质布局生物材料的设计原则，以便为加工线路供给指点策略。并且，将新兴的异质布局利用在预防传染、制药和药物输送是将来值得研究的范畴，有望在生物医学范畴带来更多冲破和变化。 论文利用信息： Shuai C J, Li D S, Yao X, Li X, Gao C D. 2023. Additive manufacturing of promising heterostructure for biomedical applications. Int. J. Extrem. Manuf. 5 032012.

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