国家自然科学基金机械工程学科2020年度优秀结题项目（八）
项目负责人：高成德
Email：gaochengde@csu.edu.cn
项目执行期：2018年1月-2020年12月
依托单位：中南大学
项目批准号：51705540
项目简介：
生物镁合金具有优异的生物相容性和力学相容性，但降解速率过快极大的限制了其在骨修复中的应用。本项目利用激光选区熔化（SLM）技术制备纳米蜂窝结构增强的生物镁合金，其中纳米蜂窝结构是由氧化石墨烯（GO）构建的第二相，而镁合金晶粒包裹于蜂窝单元中。研究了激光作用下生物镁合金的熔池形成与凝固机理，揭示了成型过程中纳米蜂窝结构的形成条件及优化策略；探索了GO在生物镁合金基体中的均匀分散方法，查明了GO对生物镁合金显微组织和力学性能的影响规律；重点研究了体液环境下GO/生物镁合金的降解行为和生物活性，揭示了降解过程中纳米蜂窝结构对生物镁合金的保护机制，为可控降解和力学稳定生物镁合金的快速制造技术与装备奠定了研究基础。
主要研究进展及创新点：
1、开发了面向生物镁合金的SLM成型系统，研究了SLM成型工艺对合金微观结构的影响，发现SLM过程不仅能保持GO结构稳定，还能细化镁合金晶粒，更重要的是SLM成型后GO在镁合金基体中包裹形成蜂窝结构；研究了蜂窝结构与镁合金降解行为的关联规律，发现蜂窝结构作为抑制腐蚀传播的紧密屏障，使AZ61镁合金的降解速率降低了31%，且促进了细胞在生物镁合金上的粘附与增殖。
2、探索了界面桥强化蜂窝包裹生物镁合金的SLM制备工艺及其界面特性，发现在SLM成型后MgO作为界面桥不仅与镁合金基体形成了半共晶格的界面结构，而且与蜂窝结构形成了纳米尺度位错应变场，强化了蜂窝结构与镁合金基体之间的界面结合，改善了蜂窝包裹生物镁合金的降解抗力。
3、研究了SLM过程中原位反应对蜂窝包裹生物镁合金降解行为和力学性能的影响，发现激光熔化成型过程中二氧化钛（TiO2）、GO和AZ61合金体系发生了原位反应，通过化学键合有效地增强了二者的界面结合，从而提高了蜂窝结构的牢固性和稳定性，进一步降低了生物镁合金的降解速率，且增强的界面结合、界面相强化以及晶粒细化提升了生物镁合金的力学性能。
项目取得的主要研究成果：
相关研究成果发表SCI论文12篇，其中国内期刊5篇，ESI高倍引论文4篇、热点论文1篇、期刊Hot Article 1篇；授权国家发明专利7项，出版英文专著1部，获中国有色金属工业科技二等奖、湖南医学科技一等奖；作国际/国内学术会议邀请报告4次；培养研究生6名，其中获教育部国家奖学金1人次、湖南省研究生科研创新重点项目2人次、校长创新奖学金1人次等。
团队介绍：
依托高性能复杂制造国家重点实验室，团队一直从事激光增材制造领域的研究，凝聚了集增材制造、材料加工、细胞生物学等医工交叉学科的研究队伍，包括长江学者特聘教授、万人计划领军人才、全国优秀博士学位论文、国家优秀青年科学基金等教授和副教授及数十名研究生。项目负责人现为中南大学机电工程学院副教授，入选中国科协青年人才托举工程，湖南省优秀青年基金获得者、Journal of Magnesium and Alloys首届青年编委、Journal of Central South University首届青年编委、中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会委员。在团队负责人帅词俊教授指导下，一直从事可降解金属的激光增材制造研究，以第一/通讯作者发表SCI论文29篇，授权与申请专利18项，主持国家自然科学基金、湖南省自然科学基金等项目8项，作为核心骨干参与国家自然科学基金重点项目、长江学者特聘教授专项等，担任Mater Today等50余个SCI期刊审稿人，获湖南医学科技一等奖、湖南省自然科学二等奖、教育部自然科学二等奖等科技奖励5项；所培养学生获教育部研究生国家奖学金、湖南省优秀毕业生、中南大学优秀研究生、优秀研究生干部等荣誉。
编辑：谢雅洁 校对：向映姣
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