江西理工大学帅词俊等｜锌的激光增材制造：成型质量、织构以及细胞行为

本研究论文聚焦激光增材制造可降解金属锌的成型质量、织构以及细胞行为的研究。激光增材制造不仅充分实现金属粉末近净形状制造的可能性，还能精确制造出复杂结构，在骨修复领域引起了广泛关注。金属锌兼具良好的生物相容性和适中的降解速率，被认为是一种极具潜力的可降解金属。然而锌存在较低的熔点和沸点，在制备过程中容易产生蒸发产物，使激光束辐射和输入粉末层的激光能量不一致，进而降低了锌植入物的形成质量。本文采用激光增材制造技术制备金属锌，通过阐明激光工艺参数对金属锌成型质量、织构以及力学性能的影响机制，获得了制备金属锌的优化激光工艺。在优化激光工艺下，金属锌的平均硬度、机械强度和伸长率分别达到了50.2HV、127.8MPa和7.6%。此外，还分析了金属锌的降解行为和成骨性能。这项工作为选择激光工艺参数以优化锌植入物的综合性能提供了依据。

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图1 （a） 锌的粉末形态和（b）粒度分布；（c）激光粉末床熔合（LPBF）的常用工艺参数；（d） LPBF制造的锌样品

图2 在LPBF过程中采用不同激光功率（P）和扫描速度（V）制备锌的表面形貌（蓝色箭头表示孔隙度，比例尺位于左上角，BD：建筑方向）

图3  在LPBF过程中使用不同激光功率和扫描速度制造锌的横截面形貌和相对密度。比例尺显示在左上角；红色和蓝色区域分别代表密度低于90%和高于99.5%的部分

图4 （a） 在扫描速度（400、600和800 mm/s）和激光功率（80和100 W）的组合下， LPBF制备锌的晶粒取向图和（b）织构强度图。红色、蓝色和绿色分别表示图片, 图片, 和图片晶粒取向

图5 （a）LPBF制备锌的硬度及其分布；（b）拉伸试验后的应力-应变拉伸曲线；（c）拉伸参数和（d）拉伸测试后断裂表面。这些拉伸样被标记为S1、S2、S3、K1、K2和K3，其中S和K分别对应于80和100W的激光功率，1、2和3分别代表400、600和800mm/s

图6 （a）骨髓基质干细胞（BMSCs）的细胞形态和（b）CCK-8结果；（c）碱性磷酸酶（ALP）染色和（d）在锌提取物中培养1、7和14天后细胞的活性；（e）茜素红染色和（f）相应的定量分析；（g）在具有TRPM7和/或GPR39敲除的hMSC中培养后，Ca2+对Zn的反应；（h） TRPM7和/或GPR39敲低的hMSC中的cAMP和PKA活性