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论文概述

由于优良的生物相容性、生物可降解性及无毒性，镁基材料成为骨科和创伤学治疗生物植入物的良好候选材料。据报道，形成的骨旁生物降解镁基植入物可加速骨愈合。与此同时，能满足个性化定制的增材制造技术为开发镁基植入物/支架提供了更多的手段。然而，增材制造镁基合金的制备及应用面临着许多挑战，例如，合金的高化学反应性，燃烧潜力和低汽化温度。此外，通过增材制造制备出的镁基支架/植入物也可能因发生疲劳断裂而失效。进一步拓展镁基合金材料在生物医学的应用，仍有很多问题亟需解决。

最近，伊朗德兰黑大学Farzad Badkoobeh博士等人从增材制造工艺设计、材料性能和生物医学应用三方面对生物可降解镁基材料进行了讨论，讨论了增材制造技术制造镁基植入物的可能性，并从金属显微结构、机械性能、生物降解性、生物相容性等各方面性能以及各种增材制造后处理的方法进行了深入阐述。该综述为克服增材制造镁基合金应用于生物医学领域中存在的问题与挑战提供了科学的解决思路。

得益于快速凝固/冷却，增材制造过程往往能够得到细密均匀的组织，能显著改善合金的耐腐蚀/降解性能及机械性能。此外，在增材制造过程中，合金还可以发生沉淀硬化、固溶强化和织构改性。因此，为调控镁基支架/植入物的特性，增材制造技术及制造过程中相关参数变量的选择至关重要（如表1）。

表1：增材制造镁基合金的加工参数

在众多增材制造技术中，各有优缺点及典型应用领域，如表2所示。其中，粉末床熔合（Powder Bed Fusion，PBF）最具竞争力，包括电子束熔合（Electron Beam Melting，EBM）、选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）、选择性激光熔合（Selective Laser Melting，SLM）。由于Mg的蒸发，电子束在所构造腔室真空中的分布发生变化，PBF可以精确地控制拓扑结构，而EBM的控制是有限的。同时，由于Mg在完全熔化后具有相当大的渗透性，导致其在所制备的结构件中很少产生孔隙，具有很高的致密度，所以与SLS方法相比，SLM技术呈现出更大的优势。此外，SLM具有显著的冷却速率和快速凝固特点，有助于细化镁基合金的组织。和传统方法相比，SLM技术制备的镁基合金具有更优异的机械性能和耐腐蚀性能。受限于当前增材制造技术的发展，制造出致密度高于99％的镁基合金结构件仍然比较困难。但在体外实验中，即便在相对较大的孔隙率下，制备的结构件依然表现出高刚度和耐腐蚀特性的良好潜力。伴随着增材制造技术的进一步提升，合金的结构精度也得到提升，所制备的医学生物用镁基合金结构件也更能满足不同场景下的个性化需求。

表2不同增材制造技术的优缺点及典型应用

作为植入体，镁基合金支架需要适当的生物学特性和力学性能，这对镁基合金支架的制备提出了更高要求，也促进了增材制造镁合金应用的研究，一些增材制造方法和常规方法制备的镁基合金的拉伸性能如表3所示。相关研究表明，增材制造得到的支架/植入物的表面不适合医学生物方面的应用，因此必须要对其进行表面改性处理，以加强增材制造镁合金的表面适用性。表面改性包括表面涂层（沉积涂层和反应涂层）、离子注入、激光处理、表面纳米结晶、热处理等方法。支架/植入物的表面特性（如粗糙度、润湿性和形态）对腐蚀速率及支架/植入物与细胞间的相互作用非常重要。因此更多表面处理方法的开发及对表面特性的影响研究亟需开展。

表3通过增材制造方法和常规方法制备的镁基合金的拉伸性能

后处理工艺（如热等静压和热处理工艺）能够极大改善增材制造镁基合金支架/植入物的生物学和机械性能，如表4所示。然而，后处理也会给镁基合金支架/植入物带来一些的负面影响，支架/植入物也可能因疲劳而失效。因而在施加后处理工艺的同时必须评估其带来的影响，在循环应力下对表面涂层进行评价以考核疲劳强度，从而确定支架/植入物植入人体的可行性。此外，探究增材制造镁基支架/植入物的失效机制对其在生物医学的应用非常重要。失效机制可能受到诸多因素的影响，如施加的应力、AM技术、微结构以及生物支架/植入物周围的环境条件。未来，迫切需要从成分设计，微观结构，化学/机械/降解行为以及AMed镁基金属的生物特性等方面进行研究调查，从而洞悉镁基支架的烧结性能。

表4不同增材制造技术镁合金的热处理工艺

本文从合金化、转化处理和表面涂层三方面介绍了调节镁基合金支架生物降解率和耐蚀性的方法。在表面处理方面，未来仍需开发更多表面处理方法，进一步研究表面特性的影响，以进一步调节降解速率，促进骨再生。在合金化方面，将镁基多孔支架与其他生物材料（如生物陶瓷、生物玻璃、生物聚合物和生物复合材料）相结合的复合制造将是未来的重要研究方向。此外，模拟方法有助于优化增材制造技术以实现制备更多具有应用潜力的镁基合金支架产品，同时研究人员可以通过微纳米处理的方法来模拟骨表面。对镁基合金支架失效机制的深入了解也有助于更好的调控增材制造的镁基合金支架/植入物的特性，以便其更好的应用于生物医学领域。

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文章发表

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第11卷第3期：

[1]Farzad Badkoobeh,Hossein Mostaan*,Mahdi Rafiei,Hamid Reza Bakhsheshi-Rad*,Seeram RamaKrishna,Xiongbiao Chen,Additive manufacturing of biodegradable magnesium-based materials:Design strategies,properties,and biomedical applications[J].Journal of Magnesium and Alloys,2023,11(3):801-839.

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中文摘要

镁（Mg）基材料是新一代合金材料，具有生物相容性好和与骨密度相似的特性，使得镁基合金成为骨科和创伤学治疗生物植入物的良好候选材料。增材制造（AM）在生物植入体的设计于与制造中具有显著的优势。然而，增材制造镁基合金的制备及应用面临着许多挑战，例如，合金的高化学反应性，燃烧潜力和低汽化温度等。本文对增材制造镁基合金植入物的的各种工艺，机械性能，生物降解性，生物相容性，抗菌性能，以及AM后处理工艺等方面进行了研究与讨论。此外，本文还从生物植入物的设计，性能和应用的角度，阐述了AM过程中所涉及的挑战和问题。

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Abstract

Magnesium(Mg)-based materials are a new generation of alloys with the exclusive ability to be biodegradable within the human/animal body.In addition to biodegradability,their inherent biocompatibility and similar-to-bone density make Mg-based alloys good candidates for fabricating surgical bioimplants for use in orthopedic and traumatology treatments.To this end,nowadays additive manufacturing(AM)along with three-dimensional(3D)printing represents a promising manufacturing technique as it allows for the integration of bioimplant design and manufacturing processes speCIFic to given applications.Meanwhile,this technique also faces many new challenges associated with the properties of Mg-based alloys,including high chemical reactivity,potential for combustion,and low vaporization temperature.In this review article,various AM processes to fabricate biomedical implants from Mg-based alloys,along with their metallic microstructure,mechanical properties,biodegradability,biocompatibility,and antibacterial properties,as well as various post-AM treatments were critically reviewed.Also,the challenges and issues involved in AM processes from the perspectives of bioimplant design,properties,and applications were identified;the possibilities and potential scope of the Mg-based scaffolds/implants are discussed and highlighted.