CN112974847B - 基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件及4d打印成形方法与应用 - Google Patents

基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件及4d打印成形方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件及4D打印成形方法与应用。本专利制备方法包括植入件使役环境受力分析、弹性模量可控的核壳结构设计、基于弹性模量调控的4D打印工艺参数设计和成形。本发明原理基于奥氏体和马氏体弹性模量差异，调控4D打印工艺参数实现弹性模量的定制化，制备出具有弹性模量可控的核壳结构钛镍医疗植入件。本发明在实现复杂钛镍医疗植入件成形的同时，可以实现植入件任意接触人体骨骼部位弹性模量的定制化，有效地降低医疗植入件合金的弹性模量并解决应力屏蔽问题，适用范围广，可用来制备满足生物力学相容性的各种医疗植入件(如股骨头、髋、膝关节植入物、脊柱植入物等)。

Description

基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件及4D打印成形 方法与应用
技术领域
本发明属于增材制造、3D/4D打印技术、生物医用功能材料和智能材料领域，具体涉及基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件及4D打印成形方法与应用。
背景技术
临床医学大数据统计表明，目前增材制造制备的生物医用植入件合金(如CoCr、纯Ti、Ti6Al4V合金)虽然能实现精准重建塑形，但其与人体骨骼存在较大的弹性模量匹配差，即植入件弹性模量(CoCr合金240GPa、纯Ti 100GPa、Ti6Al4V合金110GPa)与人体骨骼弹性模量(10～30GPa)存在“应力遮挡效应”(Adv.Eng.Mater.,2019,1801215)。这致使Ti6Al4V植入件无法完美与人体骨骼结合部位进行弹性模量匹配，导致骨骼细胞或其他细胞无法完美生长，进而植入件与人体骨骼或组织无法实现有机融合或者仅仅为机械组装，最终植入件存在脱落或者滑移的风险。截至目前，国家药品监督管理局批准的增材制造骨科钛合金植入件包括：髋关节、椎体、椎间融合器和骨小梁髋臼等。
作为一种先进的生物医用功能材料和智能材料，钛镍形状记忆合金具有优异的形状记忆效应、超弹性和生物相容性，具有取代CoCr、纯Ti、Ti6Al4V等传统生物医用植入件合金的综合性能优势，目前已经广泛应用于牙列矫正丝、脊柱矫形棒、血管成形环和手术用微型钳子等生物医疗领域。就这些零件的相组成与内在机理来说，牙列矫正丝、脊柱矫形棒和手术用微型钳子等钛镍形状记忆合金相组成为奥氏体(利用其超弹性)，血管成形环钛镍形状记忆合金相组成为马氏体(利用其形状记忆效应)。也就是说，目前的钛镍形状记忆合金医疗植入件材料主要为单一的奥氏体或马氏体相，利用的效应主要为单一的超弹性或形状记忆效应。大量研究表明，钛镍形状记忆合金在不同相状态下(奥氏体和马氏体)强度和塑性无明显差别，但具有显著的弹性模量差异。钛镍形状记忆合金在马氏体状态下，其弹性模量介于28～40GPa(图1)；在奥氏体状态下，其弹性模量介于75～83GPa(Adv.Eng.Mater.,2019,1801215,Materials&Design 56(2014)1078-1113)。因此，如果能合理调控钛镍形状记忆合金植入件的弹性模量(28～83GPa)，将可最小化植入件与人体骨骼弹性模量(10～30GPa)的差异，从而有效降低植入件的“应力遮挡效应”，促进骨细胞生长，减少炎症产生。
就钛镍形状记忆合金而言，其热导率较低、弹性回弹强、加工性能差，降低了其生产效率，同时传统工艺(铸造、锻造和焊接等)无法高效成型其精密复杂(多孔结构、梯度结构和薄壁结构等)的工程零件(Prog.Mater.Sci.57(2012)911-946.)。增材制造技术作为一种前沿的新兴技术，能够直接制备多孔、具有复杂内部结构的近净成形工程零件，大大减少后续加工流程。4D打印是实现对智能材料(形状记忆合金、形状记忆高分子、复合材料等)的增材制造技术(Mater.Sci.Eng.,A763(2019)138166；Mater.Des.122(2017)42-79.)。目前，4D打印技术正在深入拓展钛镍合金零件和产品的工程应用领域，然而，目前4D打印钛镍合金主要涉及热处理工艺、能量源参数和引入第二相等基础研究(Prog.Mater.Sci.83(2016)630-663.)，针对4D打印钛镍合金构件的定制化结构设计与功能实现研究还不够系统深入。
本专利基于目前植入件普遍存在的“应力遮挡效应”和定制化结构设计与功能实现研究不完善的问题，提出调控4D打印钛镍合金的相组成和弹性模量的理念，旨在为生物医用功能材料的组织性能调控和结构设计提供了有益的参考和借鉴。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件的4D打印成形方法。
本发明的另一目的在于提供通过上述方法制备的钛镍医疗植入件。
本发明的再一目的在于提供上述钛镍医疗植入件在制备医疗器械领域中的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件的4D打印成形方法，包括以下步骤：
(1)弹性模量可控的核壳结构钛镍医疗植入件构型：根据不同解剖位置植入件的使役环境要求，采用有限元模拟软件对植入件各部位的受力状态进行分析，从而确定植入件核壳结构各部位的弹性模量和厚度；
(2)基于弹性模量调控的4D打印工艺参数：根据植入件各部位弹性模量和厚度构建植入件的核壳结构空间分布并逐层分解，基于奥氏体和马氏体弹性模量差异设计理念，调控4D打印的能量密度，从而确定4D打印工艺参数；
(3)4D打印成形：根据步骤(2)的4D打印工艺参数，采用激光选区熔化成形设备对钛镍合金粉末进行4D打印成形，得到弹性模量可控的核壳结构钛镍医疗植入件。
通过上述方法可实现钛镍合金植入件在与人体骨骼接触部位始终保持着最低弹性模量，有效解决应力屏蔽问题，维持植入件长期稳定并达到理想治疗效果。
优选地，步骤(1)所述不同解剖位置植入件可细分为：关节植入件(髋、膝关节植入件)，脊柱植入件(内固定植入件、微创植入件等)，肩部植入件(肩胛骨植入件等)，颅颌面植入件(下颌骨植入件、颅骨植入件等)，足踝植入件(足踝关节植入件、脚趾骨植入件等)，其他部位植入件(如胸骨植入件等)。
优选地，步骤(1)所述有限元模拟软件包括ANSYS、MIMICS、ABAQUS、ADINA、MSC、NASTRAN、FENRIS、PAFEC和ASKA软件中的至少一种。
优选地，步骤(1)所述对植入件各部位的受力状态进行分析是指植入件在人体使役环境要求下(如站立，行走，伸展，弯曲等肢体动作)，通过有限元模拟软件分析植入件各部位的受力状态，包括力的方向以及作用形式。
优选地，步骤(1)所述植入件核壳结构各部位的弹性模量和厚度，弹性模量由步骤(1)受力状态分析进行确定，通过步骤(2)中的工艺参数控制马氏体(弹性模量28～40GPa)和奥氏体(弹性模量70～83GPa)在各部位中的占比进行调控实现；核壳结构的厚度分配依据植入件个体尺寸、受力状态(核壳部位体积占比)进行确定，其中壳结构的厚度范围为0.5～5mm，占比为5～60％。
更优选地，步骤(1)所述确定植入件核壳结构各部位的弹性模量和厚度，当受力分析表明植入件会长期承受拉压循环应力时，则其核部位为高弹性模量(70～83GPa)的奥氏体，以通过奥氏体的超弹性实现在拉压循环作用下不产生塑性变形，此时核部位体积占比高，为60～90％，以实现长期服役稳定，除核壳部位外的中间层为奥氏体和马氏体双相结构，中间层体积占比为5％，壳部位为低弹性模量(28～40GPa)的马氏体；当受力分析表明植入件会长期承受单一压应力或拉应力时，则其核部位仍为高弹性模量(70～83GPa)的奥氏体，但此时核部位体积占比低，为30～40％，除核壳部位外的中间层为奥氏体和马氏体双相结构，中间层体积占比为10％，壳部位为低弹性模量(28～40GPa)的马氏体，以通过其在单一应力作用结束后，不会在应力再次作用下产生塑性变形，实现变形的稳定与高效。
优选地，步骤(2)所述基于奥氏体和马氏体弹性模量差异设计理念，确定4D打印工艺参数，其设计理念指调控4D打印的激光能量密度，实现对奥氏体与马氏体含量的定制化，使对应部位的弹性模量为步骤(1)确定的弹性模量，其中确定4D打印工艺参数的方法为：采用至少一种激光能量密度，根据步骤(1)各部位的弹性模量，进行4D打印工艺参数的调控，最终确定能满足步骤(1)各部位所需的弹性模量对应的打印工艺参数，该打印工艺参数即为激光能量密度，其中40～80J/mm3低能量密度的激光可获得弹性模量70～83GPa的奥氏体结构，80～150J/mm3中等能量密度的激光可获得弹性模量35～65GPa的奥氏体和马氏体双相结构，150～300J/mm3高能量密度的激光可获得弹性模量28～40GPa的马氏体结构。
优选地，步骤(2)所述确定4D打印工艺参数是根据步骤(1)中植入件各部位的服役环境和受力状态确定的弹性模量确定的。
优选地，步骤(3)所述钛镍合金粉末，其制备方法为等离子雾化法(PA)、电极感应熔炼气体雾化法(EIGA)或等离子旋转电极雾化制粉法(PREP)，合金粉末中的镍含量原子占比为：50～53％，合金粉末颗粒尺寸范围为15～53μm，合金粉末氧含量≤300ppm。
优选地，步骤(3)所述激光选区熔化成形设备为CONCEPT LASER M2，EOS M280/290，SLM solution 125/250/280 2.0/500，RENISHAW 400，BLT-S320等，设备可为单激光、双激光器、多激光器等。
上述方法通过构建植入件的核壳结构以及核壳结构的体积占比，其中植入件核部位为高弹性模量(70～83GPa)的奥氏体，壳部位为低弹性模量(28～40GPa)的马氏体，除核壳部位之外的中间部位为弹性模量(35～65GPa)的奥氏体和马氏体共存的双相结构，通过调控植入件这三个部位的体积占比，从而实现对植入件奥氏体与马氏体含量的定制化，解决了目前植入件普遍存在的“应力遮挡效应”和定制化结构设计与功能实现研究不完善的问题。
上述方法制得的基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件。
所述基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件的相组成特征为：奥氏体单相、马氏体单相或者两相共存状态，在与人体骨骼接触部位，钛镍合金为马氏体相，弹性模量最低。
上述基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件在制备医疗器械中的应用。
本发明制备方法的原理为：基于奥氏体和马氏体弹性模量差异设计理念，调控4D打印工艺参数实现弹性模量的定制化，制备出具有弹性模量可控的核壳结构钛镍医疗植入件。首先通过植入件各部位的受力状态，包括力的方向以及作用形式，确认核壳结构各部位的弹性模量和厚度，从而确认整体构型。在此基础上，依据钛镍合金医疗植入件不同部位所需的不同功能特性(即弹性模量)，调控4D打印激光能量密度，实现对奥氏体与马氏体含量的定制化，进而实现对弹性模量的调控和确定打印工艺参数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
1、与传统工艺制备的钛合金植入件相比，本发明制备的钛镍合金医疗植入件具有更低的弹性模量，同时，本发明可实现核壳结构钛镍植入件各部位弹性模量的定制化，实现低弹性模量和高服役周期植入件的一体化制备。
2、本发明专利中壳部位的低弹性模量完美契合人体骨骼的弹性模量、最小化植入件的“应力遮挡效应”，提升了医疗植入件的塑形精度，同时充分发挥了钛镍合金不同组成相的性能优势。
3、本发明采用4D打印成形，相比于传统的铸造和塑性变形，可制备各种复杂形状的零件，满足个性化设计要求，真正做到为患者打造量身定制的医疗植入件。
4、本发明中采用的4D打印成形技术，可实现近净成形，提高了材料的利用率，从而节约了成本。
附图说明
图1为生物医用合金弹性模量与人体骨骼弹性模量的对比(Adv.Eng.Mater.,2019,1801215)。
图2为实施例1中的弹性模量可控的核壳结构钛镍合金骨钉，其中壳结构的厚度为2～5mm，占比5～35％。
图3为实施例2中的弹性模量可控的核壳结构钛镍合金股骨柄，其中壳结构的厚度为0.5～5mm，占比50～60％。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1(弹性模量可控的核壳结构钛镍合金骨钉)
(1)设计弹性模量可控的核壳结构钛镍合金骨钉构型：依据植入件使役环境受力分析和临床病人的CT扫描结果，获得骨钉的轮廓，运用Geomagic软件逆向工程重建植入骨钉的模型，优化设计构型，采用有限元模拟软件ANSYS分析植入件各部位的受力状态，骨钉在使役过程中承受的应力大，通常承受拉压应力作用，故设计其壳结构为马氏体相，核为奥氏体结构，除核壳外的中间层为奥氏体和马氏体共存的双相结构，以实现骨钉在循环拉压作用不产生塑性变形，壳结构的厚度为0.5～5mm，体积占比5～35％，核结构的厚度为5～10mm，体积占比60～90％，中间层厚度0.5～1mm，体积占比5％，上述厚度可依据不同使用个体所需骨钉大小决定，获得最终个性化核壳结构钛镍合金骨钉的模型图(图2)；具体的，关节固定植入螺钉，壳结构的厚度为0.5mm，体积占比5％，核结构的厚度9mm，体积占比90％；脊柱植入螺钉，壳结构的厚度为3mm，体积占比30％，核结构的厚度6.5mm，体积占比65％；肩部植入螺钉，壳结构的厚度为2mm，体积占比25％，核结构的厚度5.6mm，占比70％；足踝植入件，壳结构的厚度为1.2mm，占比10％，核结构的厚度10mm，占比85％。
(2)基于弹性模量调控的4D打印工艺参数设计：基于骨钉在使役过程中承受的应力大，使役周期长，故在本实施例中，钛镍合金骨钉的“核”部分采用低能量密度(可使用40J/mm3、60J/mm3和80J/mm3，均可获得奥氏体相结构)的激光成形，旨在获得室温条件下弹性模量在70～83GPa的奥氏体相结构，以保证骨钉的承力和使役周期；中部采用中等能量密度(可使用80J/mm3、120J/mm3和150J/mm3，均可获得奥氏体和马氏体共存的双相结构)的激光成形，旨在实现弹性模量的梯度变化，获得弹性模量40～60GPa的奥氏体和马氏体共存的双相结构，避免服役条件下的变形集中现象；“壳”部分采用高能量密度(可使用150J/mm3、200J/mm3和300J/mm3，均可获得马氏体相结构)的激光进行成形，控制镍原子挥发，旨在获得室温条件下弹性模量在28～30GPa的马氏体相结构。
(3)将步骤(2)中的钛镍合金骨钉的模型图导入设备，基于钛镍合金粉末(镍原子占比为50％，尺寸为15～53μm，EIGA法制备，氧含量为280ppm)，对骨钉进行4D打印技术制备成形，在该实施例中采用的4D打印技术为选区激光熔化技术(CONCEPT LASER M2)，得到弹性模量可控的核壳结构钛镍合金骨钉。
(4)对钛镍合金骨钉进行X射线衍射分析和纳米压痕的弹性模量分析，实验数据表明，其“核”部分弹性模量在70～80GPa的奥氏体相，中部过渡层的弹性模量在40～60GPa的奥氏体和马氏体共存的双相结构，“壳”部分的弹性模量在28～30GPa的马氏体相结构，满足实验设计的弹性模量要求。
实施例2(弹性模量可控的核壳结构钛镍合金股骨柄)
(1)设计弹性模量可控的核壳结构钛镍合金股骨柄构型：依据植入件使役环境受力分析和临床病人的的CT扫描结果，获得股骨柄的轮廓，运用MIMICS软件逆向工程重建植入股骨柄的模型，优化设计构型，采用有限元模拟软件ABAQUS分析植入件各部位的受力状态，股骨柄表层与人体骨骼接触，承受压应力，故壳部位为低弹性模量(28～40GPa)的马氏体相，体积占比高，为50～60％，厚度为0.5～5mm，以通过马氏体在单一应力作用结束后，不会在应力再次作用产生塑性变形的特性，核为奥氏体结构，除核壳外的中间层为奥氏体和马氏体共存的双相结构，中间层体积占比为10％，厚度为0.1～1mm，该厚度可依据不同使用个体所需股骨柄大小决定，获得最终个性化核壳结构钛镍合金股骨柄的模型图(图3)，具体的，当病人需要植入的股骨柄总厚度为10mm时，壳部位厚度为5mm，占比50％，核部位厚度4mm，占比40％；当病人需要植入的股骨柄总厚度为5mm时的股骨柄，壳部位厚度为3mm，占比60％，核部位厚度1.5mm，占比30％。
(2)基于弹性模量调控的4D打印工艺参数设计：基于股骨柄在使役过程中承受的压应力，故在本实施例中，钛镍合金股骨柄的“核”部分采用低能量密度(可使用40J/mm3，50J/mm3，和60J/mm3，均可获得奥氏体相结构)的激光成形，旨在获得室温条件下弹性模量在70～83GPa的奥氏体相结构，以保证骨钉的承力和使役周期；中部采用中等能量密度(可使用85J/mm3，110J/mm3和140J/mm3，均可获得奥氏体和马氏体共存的双相结构)的激光成形，旨在实现弹性模量的梯度变化，获得弹性模量35～65GPa的奥氏体和马氏体共存的双相结构，避免服役条件下的变形集中现象；“壳”部分采用高能量密度(可使用180J/mm3，220J/mm3，和240J/mm3，均可获得马氏体相结构)的激光进行成形，控制镍原子挥发，旨在获得室温条件下弹性模量在28～40GPa的马氏体相结构。
(3)将步骤(2)中的钛镍合金股骨柄的模型图导入设备，基于钛镍合金粉末(镍原子占比为53％，尺寸为15～53μm，PA法制备，氧含量为300ppm)，对股骨柄进行4D打印技术制备成形，在该实施例中采用的4D打印技术为选区激光熔化技术(EOS M280)，得到弹性模量可控的核壳结构钛镍合金股骨柄。
(4)对钛镍合金股骨柄进行X射线衍射分析和纳米压痕的弹性模量分析，实验数据表明，其“核”部分弹性模量在73～80GPa的奥氏体相，中部过渡层的弹性模量在40～65GPa的奥氏体和马氏体共存的双相结构，“壳”部分的弹性模量在28～38GPa的马氏体相结构，满足实验设计的弹性模量要求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件的4D打印成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）弹性模量可控的核壳结构钛镍医疗植入件构型：根据不同解剖位置植入件的使役环境要求，采用有限元模拟软件对植入件各部位的受力状态进行分析，从而确定植入件核壳结构各部位的弹性模量和厚度；
（2）基于弹性模量调控的4D打印工艺参数：根据植入件各部位弹性模量和厚度构建植入件的核壳结构空间分布并逐层分解，基于奥氏体和马氏体弹性模量差异设计理念，调控4D打印的能量密度，从而确定4D打印工艺参数；
（3）4D打印成形：根据步骤（2）的4D打印工艺参数，采用激光选区熔化成形设备对钛镍合金粉末进行4D打印成形，得到弹性模量可控的核壳结构钛镍医疗植入件；
步骤（1）所述植入件核壳结构各部位的弹性模量和厚度，弹性模量由步骤（1）受力状态分析进行确定，通过步骤（2）中的工艺参数控制马氏体和奥氏体在各部位中的占比进行调控实现；核壳结构的厚度分配依据植入件个体尺寸、受力状态进行确定，其中壳结构的厚度范围为0.5～5 mm，占比为5～60%；
步骤（2）所述基于奥氏体和马氏体弹性模量差异设计理念，确定4D打印工艺参数，其设计理念指调控4D打印的激光能量密度，实现对奥氏体与马氏体含量的定制化，使对应部位的弹性模量为步骤（1）确定的弹性模量。
2.根据权利要求1所述基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件的4D打印成形方法，其特征在于，步骤（2）确定4D打印工艺参数的方法为：采用至少一种激光能量密度状态，根据步骤（1）各部位的弹性模量，进行4D打印工艺参数的调控，最终确定能满足步骤（1）各部位所需的弹性模量对应的打印工艺参数，该打印工艺参数即为激光能量密度，其中40～80 J/mm3低能量密度的激光可获得弹性模量70～83 GPa的奥氏体结构，80～150 J/mm3中等能量密度的激光可获得弹性模量35～65 GPa的奥氏体和马氏体双相结构，150～300 J/mm3高能量密度的激光可获得弹性模量28～40 GPa的马氏体结构。
3.根据权利要求1所述基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件的4D打印成形方法，其特征在于，步骤（1）所述确定植入件核壳结构各部位的弹性模量和厚度，当受力分析表明植入件会长期承受拉压循环应力时，则其核部位为高弹性模量70～83 GPa的奥氏体，核部位体积占比为60～90%，除核壳部位外的中间层为奥氏体和马氏体双相结构，中间层体积占比为5%，壳部位为低弹性模量28～40 GPa的马氏体；当受力分析表明植入件会长期承受单一压应力或拉应力时，则其核部位仍为高弹性模量70～83 GPa的奥氏体，核部位体积占比为30~40%，除核壳部位外的中间层为奥氏体和马氏体双相结构，中间层体积占比为10%，壳部位为低弹性模量28～40 GPa的马氏体。
4.根据权利要求1所述基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件的4D打印成形方法，其特征在于，步骤（1）所述对植入件各部位的受力状态进行分析是指植入件在人体使役环境要求下，通过有限元模拟软件分析植入件各部位的受力状态，包括力的方向和作用形式。
5.根据权利要求1所述基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件的4D打印成形方法，其特征在于，步骤（1）所述不同解剖位置植入件为关节植入件、脊柱植入件、肩部植入件、颅颌面植入件、足踝植入件和胸骨植入件中的一种，所述关节植入件为髋植入件和膝关节植入件中的一种，所述脊柱植入件为内固定植入件和微创植入件中的一种，所述肩部植入件为肩胛骨植入件，所述颅颌面植入件为下颌骨植入件和颅骨植入件中的一种，所述足踝植入件为足踝关节植入件和脚趾骨植入件中的一种。
6.根据权利要求1所述基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件的4D打印成形方法，其特征在于，步骤（1）所述有限元模拟软件包括ANSYS、MIMICS、ABAQUS、ADINA、MSC、NASTRAN、FENRIS、PAFEC和ASKA软件中的至少一种。
7.根据权利要求1所述基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件的4D打印成形方法，其特征在于，步骤（3）所述钛镍合金粉末，其制备方法为等离子雾化法、电极感应熔炼气体雾化法或等离子旋转电极雾化制粉法，合金粉末中的镍含量原子占比为50～53%，合金粉末颗粒尺寸范围为15～53μm，合金粉末氧含量≤300 ppm。
8.权利要求1～7任一项所述方法制得的基于弹性模量调控的核壳结构钛镍医疗植入件。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108403256A (zh) * 2018-03-14 2018-08-17 华南理工大学 基于4d打印的具有记忆效应的三维矢量膨胀心血管支架及制造方法
CN110465662A (zh) * 2019-08-09 2019-11-19 华南理工大学 一种原位调控镍钛合金功能特性的4d打印方法及应用
CN110508815A (zh) * 2019-10-09 2019-11-29 山东大学 一种基于增材制造调控镍钛形状记忆合金相变温度的方法
CN111842888A (zh) * 2020-06-18 2020-10-30 华中科技大学 一种镍钛基三元形状记忆合金的4d打印方法
CN112222409A (zh) * 2020-09-23 2021-01-15 华南理工大学 医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法及应用

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060147332A1 (en) * 2004-12-30 2006-07-06 Howmedica Osteonics Corp. Laser-produced porous structure

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108403256A (zh) * 2018-03-14 2018-08-17 华南理工大学 基于4d打印的具有记忆效应的三维矢量膨胀心血管支架及制造方法
CN110465662A (zh) * 2019-08-09 2019-11-19 华南理工大学 一种原位调控镍钛合金功能特性的4d打印方法及应用
CN110508815A (zh) * 2019-10-09 2019-11-29 山东大学 一种基于增材制造调控镍钛形状记忆合金相变温度的方法
CN111842888A (zh) * 2020-06-18 2020-10-30 华中科技大学 一种镍钛基三元形状记忆合金的4d打印方法
CN112222409A (zh) * 2020-09-23 2021-01-15 华南理工大学 医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法及应用

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