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1.文章导读金属支架是治疗局部骨缺损的关键植入物，需精准匹配天然骨的区域特性。然而，传统金属支架可恢复应变（ε_rec < 1%）显著低于天然骨（ε_rec = 2–4%）。少数NiTi支架虽表现出ε_rec > 4%的超弹性，却难以协同调控力学与传质性能以适配不同骨位点需求。近日，香港城市大学吕坚院士团队在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）发表了题为《力学与传质性能宽域可调的超弹性NiTi支架》的研究，并被选为当期封面论文（第7卷第6期）。该研究采用激光粉末床熔融（LPBF）技术，通过微–宏观协同优化，构建了具备分级微观结构与gyroid-sheet宏观构型的NiTi支架。该设计通过强化可逆马氏体相变实现了可观的超弹性（ε_rec > 4%），并通过调节支架体积分数与单胞尺寸实现了力学与传质性能的宽域调控，从而显著提升了支架的适用性。

图1 具有宽域性能调控特性的超弹性NiTi支架设计与制备思路。

2.图文解析

微观组织优化的核心在于构建由高密度位错、亚微米级与微米级奥氏体晶粒组成的分级微观组织。这种奥氏体相主导的分级微观结构将显著提升位错滑移的阻力，确保应力诱导马氏体相变为主要变形机制。

图2 新型NiTi支架的微观组织与相变特征。(a) 粉末形貌与成分。(b) DSC曲线。(c) XRD图谱。(d) EBSD图像，显示了微米级奥氏体晶粒。(e) SEM与TEM图像，显示了亚微米级奥氏晶粒. (f) TEM图像，显示了高密度位错。(g) SAED与HRTEM，对应(e)中白色虚线区域。(h) XRD极图，表明无明显织构。

宏观结构优化的关键在于构建具有均匀应力分布和高连通孔隙特征的拓扑构型，这将有助于减缓局部应力集中引起的塑性变形并促进支架的高效传质。以具备优异综合性能的gyroid-sheet三周期极小曲面为例，采用高精度LPBF技术制备了不同体积分数与单胞尺寸的NiTi支架。

图3 新型NiTi支架的宏观构型与模型精度分析。(a) 支架的宏观形貌与SEM图像。(b) 整体精度统计。(c–e) 沿构建方向分层缺陷统计。

微观与宏观结构的协同优化使NiTi支架实现了高达6%–7%的ε_rec及30–150 MPa的宽域循环应力。该工作中NiTi支架的性能显著优于文献中报道的结果，后者往往表现出超弹性不足、循环应力较低且不可调的特点。对比研究表明，仅对微观组织或宏观构型进行优化的支架，其ε_rec分别为3.7%与3.2%，循环应力不足50 MPa；而经过协同优化的支架，其ε_rec与循环应力分别超过6%和100 MPa。这一结果凸显了协同优化的有效性与必要性。具体而言，性能提升的关键在于协同优化有效抑制了由位错滑移阻力不足与局部应力集中引发的塑性变形，促进了应力诱导马氏体相变。

图4 NiTi支架超弹性与循环应力对比。(a) 文献中NiTi支架的超弹性及循环应力比较。(b) 协同优化、仅微观组织优化与仅宏观构型优化的结果对比。(c) 微观组织优化前后的形貌对比。(d) 宏观构型优化前后的有限元模拟对比。

在传质性能方面，过低的渗透率会阻碍营养物质与代谢废物的输运，而过高的渗透率则不利于成骨细胞的附着与生长。通过灵活调节支架的体积分数与单胞尺寸，实现了6 × 10⁻⁹至150 × 10⁻⁹ m²的宽域渗透率，从而有助于满足不同部位骨组织对渗透率的差异化需求。

图5 新型NiTi支架的传质性能。(a) 渗透率与体积分数、单胞尺寸的变化关系。(b) 文献中支架渗透率与体积分数的关系。(c–e) 流体在支架中流动的有限元模拟。

3. 总结与展望

该研究面向骨植入领域对高性能金属支架的迫切需求，针对现有NiTi支架难以兼顾超弹性、力学性能和传质性能的挑战，提出了微–宏观协同优化的新策略。基于此策略制备的新型NiTi支架不仅表现出显著的超弹性，还通过体积分数与单胞尺寸的调控实现了力学与传质性能的宽域可调。该工作为开发新一代人造骨支架及其他多功能耦合超材料提供了新思路。未来的研究可进一步考察此类支架的生物相容性与长期服役性能，以推动临床应用进程。