付加製造用バイオマグネシウム合金の材料、プロセス、特性、用途のレビュー

出典: JMACCMg

マグネシウム（Mg）とその合金は、生分解性、生体適合性、機械的適合性に優れており、近年、生物医学分野の研究者から広く注目を集めています。現在、Mgおよびマグネシウム合金製品の加工では、鋳造や鍛造などの伝統的な熱間加工方法が採用されているのが一般的です。従来の加工方法で製造されたマグネシウム合金は、比強度は高いものの、降伏強度が低く、大きな荷重に耐えるには不十分です。また、鋳造工程で亀裂や気孔などの欠陥が発生しやすいという問題もあります。また、加工性が悪く、成形効率も低いため、従来の製造方法では複雑な構造のMg系製品を製造することが困難でした。従来のプロセスと比較して、積層造形（AM）技術は成形プロセスを効果的に簡素化し、独自の設計機能により製品にさまざまな構造や形状を与えることができるため、整形外科や歯科などの分野に最適な製品を生産できます。したがって、市販の AM-Mg 製品の製造を促進するには、原材料、製造プロセス、特性、および用途についての詳細かつ徹底的な理解が必要です。

最近、香港城市大学のポール・K・チュー教授、済南大学のユ・ジェンタオ教授、南方医科大学のフー・チンユン博士が、原材料、製造プロセス、性能から用途に至るまで、付加製造されたマグネシウムベースのバイオ製品の研究の進捗状況を包括的に検討し、直面している問題と課題を指摘し、将来の開発方向について具体的な提案を行いました。

論文リンク: https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2213956723001020

原材料の準備に関して：Mg ベースの付加製造の原材料は主に Mg 粉末または Mg ワイヤです。 Mg粉末の製造は爆発の危険性が高く、製造業者は比較的少ない。現在、バイオメディカルMg粉末の主な製品には、純MgとWE43があり、その最適粒子サイズは20μmから70μmの範囲で、主にガスアトマイゼーション法で製造されています。この方法で製造された粒子は、純度が高く、酸化度が低く、粉末粒子のサイズを制御でき、球形度が良好で、環境汚染が少ないなどの利点があります。ただし、製造プロセスではアルゴン雰囲気の保護が必要であり、粉末内に一定量の中空粉末とサテライト粉末が存在することになります。 Mg は六方最密構造のため、室温での塑性変形能力が限られています。そのため、Mg 線の加工には、熱間押し出し、冷間引抜きなどの大きな塑性変形が必要になります。図1は、Mg線材加工時の引抜工程の概略図である。

図1 Mg合金線引き工程の模式図：（a）引き抜きダイスの断面[40]、（b）連続引き抜き工程 Mgベースの積層造形技術：金属材料の積層造形技術は、積層造形分野において最も挑戦的で有望な最先端の方向性の一つとして常に認識されており、長い間研究のホットスポットでもありました。 Mg ベースの積層造形の主流技術には、主にレーザー積層造形法 (LAM)、電子ビーム積層造形法 (EBAM)、ワイヤアーク積層造形法 (WAAM)、固相積層造形法 (SSAM) などがあります。技術的特徴は表 1 に示されています。 LAM は、マグネシウム合金製品の製造技術として最も広く研究されている技術の 1 つです。精度が高く、強度が十分であるのが利点ですが、作業効率が低く、延性が限られており、マグネシウム粉末の活性が高く、爆発しやすいという欠点があります。 EBAM は LAM よりもエネルギー利用率が高く、高エネルギー電子ビームの急速な加熱と冷却の影響により、印刷された部品に固有の欠陥が生じる可能性があります。 WAAM は適度な強度とかなりの延性を発揮しますが、WAAM の残留応力によって生じる多孔性や亀裂などの欠陥が特に顕著になります。 SSAM プロセスでは金属の溶融がないため、溶融、結晶化、凝固のプロセスで冶金学的欠陥が発生することはありません。ただし、処理サイクルが長い、準備プロセス中に応力が蓄積する、変形するなどの問題があり、印刷された部品の精度と品質に影響します。図 2 と 3 は、一般的に使用されている金属不活性ガスシールド溶接 (WAAM と SSAM) の動作原理を示す概略図です。

表 1 Mg ベース製品に一般的に使用される積層造形技術の特徴図 2 GMAW-WAAM の概略図図 3 3 つの異なる SSAM プロセスの概略図現在、AM-Mg ベース製品の性能研究には、主に機械的特性、分解特性、生体適合性が含まれます。表 2 および 3 は、一般的な AM-Mg ベース製品の機械的特性を示しています。原材料の品質、積層造形プロセス、材料構造設計、後処理プロセスはすべて、AM-Mg ベースの製品の性能に影響します。たとえば、構造設計で多孔度を高めると機械的特性が低下する可能性があり、多孔度の変化は分解性能や生体適合性にも影響します。 3D プリントされた Mg スキャフォールドの表面は粗いことが多く、バイオメディカル用途には適していません。そのため、適用性を高めるために後処理 (表面改質) を行う必要があることがよくあります。一般的に、材料特性と影響要因の関係に関するデータは現在のところほとんどなく、さらなる研究が必要です。さらに、より多くの医療応用シナリオに適応するために、ポリ-L-乳酸（PLLA）、ポリ乳酸グリコール酸（PLGA）、ヒドロキシアパタイト（HA）、β-リン酸三カルシウム（β-TCP）、ハイドロゲル、生体活性セラミックス、生体活性ガラスなどの有効成分を含むMgベースの複合材料も、付加製造の新たな研究分野になりつつあります。
図 4 一般的なマグネシウム合金製医療機器表 2 SLM 法で製造された一般的なマグネシウム合金製品の機械的特性表 3 WAAM 法で製造された一般的なマグネシウム合金製品の機械的特性 AM-Mg ベースの製品は一定の進歩を遂げていますが、最終的な応用までにはまだ多くの課題が残っています。原材料面では、Mg粉末やMg線の製造や保管に研究の余地が多く残されています。積層造形技術の面では、既存の積層造形技術はMgベースの製品の生産に効果的に対応できず、既存の積層造形技術をさらに発展させるか、新しい積層造形技術を開発することが急務となっている。パフォーマンス研究の面では、パフォーマンスとその影響要因との関係についての理解をさらに深める必要があります。最後に、AM-Mg ベース製品のさらなる開発を促進するには、Mg ベース製品の複合印刷、それに続く Mg ベース製品の表面改質、および臨床応用に関するさらなる研究が必要です。

生分解性マグネシウム (Mg) とその合金は、その優れた機械的特性と生分解性により、生物医学研究で大きな注目を集めています。しかし、従来の鋳造、押し出し、商用機械加工では、複雑な形状/構造の部品を製造するには限界があり、これらのプロセスでは、製品の性能と実用性を低下させる空隙や気孔などの欠陥が発生する可能性があります。従来の技術と比較して、積層造形（AM）を使用すると、複数の幾何学的スケールを持つさまざまな Mg ベースの材料で作られたワークピースの形状を正確に制御し、整形外科、歯科などの分野に最適な医療製品を製造できます。ただし、AM-Mg ベースのバイオメディカル部品の商業生産を促進するには、原材料、製造プロセス、特性、および用途についての詳細かつ包括的な理解が必要です。したがって、本稿では、上記の観点から AM-Mg ベースのバイオメディカル製品の最新の研究の進歩と重要な問題をレビューし、将来の開発と応用の動向について議論します。

この記事は、Journal of Magnesium and Alloys、Vol. 11、No. 5、2023に掲載されました。
Qingyun Fu、Wenqi Liang、Jiaxin Huang、Weihong Jin、Baisong Guo、Ping Li、Shulan Xu、Paul K. Chu*、Zhentao Yu*。生分解性マグネシウムベース材料の積層造形に関する研究の展望と展望[J]。マグネシウムおよび合金ジャーナル、2023年、11(5):1608-1617。

著者チーム<br /> Fu Qingyun（共同筆頭著者）、南方医科大学口腔科学院博士研究員。彼は済南大学で博士号を取得し、主に新しい生体医学的分解性金属、表面改質、マグネシウム合金のアーク付加製造技術の開発に従事しています。過去 3 年間で、彼は 14 件の SCI 論文を発表し、筆頭著者として 7 件の SCI 論文を含む 4 件の認可された発明特許を取得しました。

2019年に済南大学で修士課程を修了した梁文奇氏（共同筆頭著者）は、主にマグネシウム合金のアーク積層造形技術の研究に従事しています。

Paul K. Chu (責任著者) は、香港城市大学教授、香港工程科学アカデミー会員、材料研究協会会員、アメリカ物理学会会員、アメリカ真空学会会員、IEEE 会員、香港技術者協会会員です。彼はまた、『Materials Science and Engineering R: Reports』の副編集長であり、『Biomaterials』などのジャーナルの編集委員でもあります。彼は2016年から2023年まで世界で最も引用されている学者のリストに選ばれました。

Yu Zhentao (責任著者) は、済南大学の教授および博士課程の指導者であり、中国バイオマテリアル学会の第一会員、中国バイオマテリアル学会の理事、中国バイオマテリアル学会の口腔および頭蓋顎顔面材料小委員会の委員長です。国家「863」、「973」、科学技術支援、自然科学基金、国家重点研究開発計画、国際科学技術協力特別プロジェクトなど、40以上の国家および省レベルの科学研究プロジェクトを主宰または参加してきました。省レベルおよび省レベルで13回の一等賞、二等賞を獲得し、100件以上の国家発明（実用新案）特許を申請・取得し、7冊のモノグラフを編集・共同編集し、250本以上の論文を発表している。

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