增材制造 vs 传统工艺：铁锰合金微观结构如何影响生物可吸收性能

引言

在骨科、颌面骨修复、心血管植入等医疗领域，生物可吸收金属植入物凭借术后无需二次取出、可逐步在体内降解的优势，成为当下医用材料的研究热点。铁锰合金是主流可降解铁基材料之一，兼具优异力学性能与磁共振成像（MRI）兼容性，而制备工艺会显著改变其微观组织，进而左右降解速率与生物相容性。近日，发表于《材料研究与技术杂志》的一项研究，系统对比了 ** 激光粉末床熔融（LPBF，增材制造）与铸造 / 锻造（传统工艺）** 制备的铁锰合金，剖析了微观结构、腐蚀行为及生物性能的内在关联。

正文

一、研究背景：可降解铁基合金的研发痛点

目前镁、锌、铁系合金是应用最广的生物可吸收金属：镁合金降解易产生过量气体，铁基合金则普遍存在降解速率偏慢的问题，制约临床应用。为优化性能，研究人员通过调控锰、碳元素配比改善铁合金特性：质量分数约 32% 锰 + 1.2% 碳的配方，可稳定形成无磁性奥氏体相，满足 MRI 检查需求；但高锰含量在高温制备时易出现蒸发损耗，对加工工艺提出严苛要求。

同时，制备路线成为影响合金性能的关键变量。传统铸造、锻造工艺技术成熟，而 ** 激光粉末床熔融（LPBF）** 作为主流增材制造技术，可定制个性化植入体、制备多孔结构，能有效加快材料降解，近年逐步应用于医用铁合金研发。但两种工艺下合金微观组织、腐蚀规律、生物表现的差异，仍缺少系统性对照研究，这也是本研究的核心方向。

二、试样制备：两种工艺 + 多组参数对照

本研究统一采用Fe-Mn-C基础合金体系，设置传统制备组与 LPBF 增材制造组两大实验组，同时重点采用等离子体超声雾化技术制备 LPBF 专用合金粉末。

1. 原料粉末制备

�� 等离子体超声雾化制粉：这是本次增材制造原料的核心制备技术。研究先将传统铸造 / 锻造得到的铁锰合金棒材作为母材，利用波兰 AMAZEMET rePowder 等离子体超声雾化设备加工成合金粉末。该工艺制得的粉末颗粒接近标准球形，粒径集中在 40~70 μm，平均粒径约 53 μm，适配 LPBF 工艺要求。受锰高蒸气压影响，雾化过程中锰会轻微蒸发，因此前期特意调高母材锰含量，最终将粉末、成品合金的锰含量稳定在 32% 左右。检测显示，粉末内部铁、锰元素分布均匀，颗粒表面覆盖一层薄且不连续的氧化锰层。

2. 块体试样加工

传统工艺组：合金原料经 1700℃感应炉熔炼、重力铸造成锭，再热锻、退火水冷得到标准试样，作为空白对照。

LPBF 增材制造组：使用 AconityMINI 设备，固定层厚、扫描间距等基础参数，设置两组工艺参数且保证总输入能量一致：

LPBF 200/400：激光功率 200 W，扫描速度 400 mm/s
LPBF 350/700：激光功率 350 W，扫描速度 700 mm/s

通过电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）检测，所有试样碳、锰含量基本一致，排除化学成分对实验结果的干扰。

三、微观结构：工艺不同，组织特征差异显著

研究借助 XRD、EBSD、SEM 等表征手段，分析不同试样的物相、晶粒与晶界特征：

物相组成：所有试样均为单一奥氏体相（γ 相），无磁性马氏体等杂相，具备良好 MRI 兼容性。仅纯元素粉末制备的 LPBF 试样会生成氧化物杂相，印证合金粉末 + 超声雾化制粉是保障相纯度的优选方案。
晶粒形貌：传统铸锻合金为等轴晶粒；LPBF 制备的合金呈现典型柱状晶粒，伴随纳米至微米级枝晶结构。
晶粒取向与晶界：两种 LPBF 试样的晶粒取向差强度不同，350/700 参数组取向差更高；三类试样的高角度晶界占比相近，并非性能差异主因。而 ** 重合位置点阵（CLS）晶界（尤其是∑3 晶界）** 成为核心差异点：传统合金的∑3 孪晶界数量约为 LPBF 试样的 6 倍。

四、腐蚀降解性能：晶界主导降解速率

研究分别在模拟生理环境的汉克溶液、模拟肌肉环境的乳酸溶液中，开展动电位极化测试与静态浸泡试验，结合 XPS 分析腐蚀机理：

整体腐蚀规律：腐蚀速率排序为 LPBF 350/700 ＞ LPBF 200/400 ＞传统铸锻合金。传统合金腐蚀电位最高、耐腐蚀性最优，LPBF 工艺会明显加快合金降解，且高功率、高扫描速度的参数组合会进一步提升腐蚀速率。乳酸浸泡实验也证实，LPBF 试样析出的铁、锰离子浓度远高于传统试样。
晶界的关键作用：∑3 等低∑值 CLS 晶界结构稳定，能阻挡腐蚀介质渗透，∑3 晶界占比越高，合金耐腐蚀性越强。LPBF 试样∑3 晶界稀缺，是其降解更快的核心原因；同时，粉末自带的纳米氧化物颗粒、增材制造产生的微小孔隙，也会进一步加速腐蚀。
初始腐蚀机理（XPS 分析）：合金表面会快速形成铁、锰混合氧化膜，表层氧化物以锰氧化物为主。锰的还原电位更低，形成的氧化膜稳定性差，钝化能力弱于纯铁氧化层，最终加剧电化学腐蚀。

五、生物相容性：全部达标，仅细胞铺展略有差异

研究选用 MG-63 人成骨细胞开展体外生物相容性测试，模拟骨科植入场景：

细胞毒性：所有试样死细胞占比均低于 10%，与空白玻璃对照组差距极小，三类合金均无明显细胞毒性，细胞粘附能力良好。
细胞形态与铺展：传统合金、LPBF 350/700 试样表面的细胞铺展充分，伪足发育完整；LPBF 200/400 试样上细胞体型偏小、铺展程度略弱，但不影响短期生物适配性。

整体来看，无论传统工艺还是 LPBF 增材制造的铁锰合金，均满足医用植入材料的生物相容性要求。

六、核心研究结论

32% 锰 + 1.2% 碳的铁锰碳合金，经两种工艺制备后均可形成无磁性奥氏体组织，适配临床 MRI 诊断需求；等离子体超声雾化技术可制备高品质球形合金粉末，是 LPBF 工艺稳定生产的重要保障。
制备工艺彻底改变合金微观结构：传统铸锻合金富含稳定的∑3 孪晶界，腐蚀速率最低；LPBF 增材制造因∑3 晶界少、存在氧化物与孔隙，降解速率显著提升，可通过调整激光功率与扫描速度进一步调控降解速度。
腐蚀行为主要由晶界类型、纳米氧化物颗粒共同驱动；合金表面不稳定的锰基氧化膜，是初始腐蚀发生的重要诱因。
两种工艺制备的铁锰合金生物相容性均合格，无细胞毒性，LPBF 铁锰合金完全具备医用生物可吸收植入物的应用潜力，可用于个性化骨科、颌面骨修复植入体开发。

科研小结

这项研究打通了 “制备工艺 — 微观结构 — 降解性能 — 生物相容性” 的完整逻辑链。传统铁锰合金耐蚀性强，适合需要长期力学支撑的植入场景；而依托等离子体超声雾化制粉与 LPBF 增材制造的铁锰合金，降解速率可控、可实现个性化成型，完美契合当下精准医疗的发展趋势，为可吸收金属植入物的工艺优化与临床转化提供了重要的实验依据。

图文导读

表1 碳和锰含量（重量百分比，以铁平衡计）。

图1. 通过等离子体超声法制备的Fe-Mn粉末：(a) 粉末在石墨胶带上形成的SEM/SE图像；(b) 带有EDS化学分析结果的粉末横截面图；(c–e) 分别显示Fe、Mn和O的元素分布。

图2. 不同加工工艺处理的Fe-Mn合金 XRD 谱：(a)由合金粉末加工而成的 LPBF ；(b)由纯元素粉末加工而成的 LPBF ；(c)铸造及锻造合金。插图为Mn元素的EDS分布图。

图3. 不同制备方法所得Fe-Mn合金的微观结构及对应 GROD 图像：(a)采用200/400参数处理 LPBF 制备的Fe-Mn合金的 EBSD IPF -Z谱；(b) GROD 图像；(c)采用350/700参数处理 LPBF 制备的Fe-Mn合金的 EBSD IPF -Z谱；(d) GROD 图像；(e)铸造与锻造Fe-Mn合金的 EBSD IPF -Z谱；(f) GROD 图像。

图4. (a)电位动力学曲线；(b)乳酸中腐蚀速率及Fe-Mn行为随生产路线的变化关系。

图5. (a) EBSD IPF Z与条带对比图像的重叠图；(b)带有红色标记 CLS 晶界条带对比图像。

图6.特定类型 Σ 晶界出现频率。

图7. EBSD IPF -Z晶界分布图：(a)采用200/400参数处理的 LPBF FeMn合金中，HAGB（15°–180°）以蓝色显示；LAGB（1°–5°及5°–15°）分别以黑色和红色表示；(b)采用350/700参数处理的 LPBF Fe-Mn合金；(c)铸造与锻造Fe-Mn合金；(d)晶界比例直方图。

图8.基于 LPBF 处理的Fe-Mn合金 ECCI 图像测得的氧化物颗粒尺寸：(a)200/400工艺参数；(b)350/700工艺参数；(c)每 μm2 氧化物数量随 LPBF 工艺参数的变化关系。

图9. 初始状态下 LPBF 350/700的 XPS 分析结果示例：(a)拟合的Fe 2p3/2谱图；(b) Mn 2p3/2 XPS 谱图；(c)所有元素的 XPS 深度分布曲线；(d)仅金属离子（不含氧）的 XPS 深度分布曲线。插图为氧化层与金属层初始氧化过程的可视化展示，并附基于这些深度曲线计算得出的厚度值。

图10. MG-63细胞在24小时培养后对不同表面的黏附情况：(a) 黏附于对照玻璃表面、铸件与锻造样品、 LPBF (200/400)样品及 LPBF (350/700)样品上的MG-63细胞密度与存活率；(b-e) MG-63细胞分别黏附于(b)对照玻璃表面、(c)铸件与锻造样品、(d) LPBF (200/400)样品及(e) LPBF (350/700)样品的代表性荧光显微镜图像。活细胞核经Hoechst 33342染色呈蓝色，而死亡细胞（质膜受损的细胞）核则经碘化丙啶染色呈红色。