骨组织工程支架的制备方法研究进展

背景:由于自体骨源的数量较少,且使用异体骨会产生免疫排斥、疾病扩散等危险,因而人造骨材料在当今的骨移植中起到了不可替代的作用。伴随着功能定制、生物相容性的要求和生物可降解材料的出现,已经出现了多样化的生物材料和多种制备方法。目的:概述目前应用于骨组织工程支架的制备方法,总结各种制备方法的优缺点、研究现状与进展。方法:使用计算机在中国知网、万方数据、PubMed及ScienceDirect数据库检索2008年1月至2023年8月关于骨组织工程支架方面的文献,以“Tissue engineering,Bone scaffold,Gas foaming,Cryotropic gelation,Additive manufacturing等”为英文检索词,以“组织工程,骨支架,气体发泡,低温凝胶,增材制造等”为中文检索词,排除无关和重复性研究,共保留80篇文献进行了总结归纳。结果与结论:①相较于传统支架的制备工艺,近年来新兴的增材制造和静电纺丝技术在用于组织工程的复杂结构如骨和软骨的生产中,表现出了巨大的潜力。②增材制造方法除了在速度、精度和使用的材料范围方面更具优势,还提供了制造高度复杂的几何形状和拓扑优化结构的可行性,实现精确调节和构造结构的高重复性。③静电纺丝是生产一系列纤维垫的最具适应性和前景的技术之一。通过静电纺丝产生的纳米纤维支架是与细胞质基质微观结构非常惊人地相似的生物材料。④目前在陶瓷材料上以羟基磷灰石和磷酸三钙应用性能较好,在高分子材料上目前材料种类多样,以生物相容性优良的材料应用较多。⑤因此,在骨组织工程支架材料的选择上应更好地了解它们的特性,避免复杂化,以生产更具增强功能的支架。然而,目前报告的绝大多数文献对临床的适用性都是探索性的,具体适合哪种疾病的治疗还有待检验。未来骨支架的发展需体现在这几个方面:与缺失骨相匹配的力学性能、降解速率可控、促进骨再生力强以及附有特定功能。

基于钛合金丝材的增材制造技术研究进展

金属增材制造技术自诞生以来,经快速发展,已在诸多领域得到了广泛的应用,被列入决定未来经济的十二大颠覆性技术之一。基于丝材的金属增材制造技术由于其沉积效率高、制造成本低、制造周期短和材料利用率高,近年来成为国内外研究和应用的热点。本文以钛合金丝材为原材料,针对广泛采用的电弧/等离子弧熔丝、电子束熔丝和激光熔丝增材制造技术,分别从成形工艺参数优化、宏微观组织结构分析、后热处理组织性能调控及专用原材料开发等方面所取得的最新研究成果进行了详细论述。在此基础之上,介绍了基于钛合金丝材的增材制造在工程化应用及相关标准规范的制定情况。最后,指出钛合金丝材增材制造技术在组织和性能等方面存在的固有不足,提出了采用锻造+增材复合成形复合后处理和专用丝材研制等方法,并建立有别于传统锻造和铸造的新标准体系,有助于推广其在各领域的大规模应用。

高功率固体激光装置负载问题研究进展

高功率固体激光装置的负载问题是制约装置建设与运行的瓶颈问题。在高通量紫外纳秒激光辐照下,熔石英后表面的损伤不断产生和增长,严重限制了装置的负载能力。在提升熔石英抗损伤性能的基础上修复既有损伤,循环使用光学元件,是现阶段提升装置负载能力的主要手段。主要介绍了国内外近年来在熔石英损伤的规律与机制、光学元件循环处理的支撑技术以及提升负载能力的新材料与新技术方面所取得的重要进展。

有机氟酸蚀刻提高熔石英的抗激光损伤性能

熔石英元件的抗激光损伤性能对高能激光器的稳定运行具有重要意义。为了提升熔石英元件抗激光损伤性能,针对传统氢氟酸蚀刻产生再沉积物的缺点,提出了采用有机氟酸蚀刻提升熔石英元件抗激光损伤性能的方法。有机氟酸蚀刻的优势在于产物具有较好的溶解性,因而产生再沉积物的可能性降低。采用有机氟酸溶液静态蚀刻熔石英元件,并对元件的表面质量、透过率和激光损伤密度进行了表征分析。表面质量和透过率的结果一致显示熔石英元件经有机氟酸蚀刻后,元件表面的再沉积物和污垢较少,表明有机氟酸具有较好的抑制再沉积物生成的效果。激光损伤密度结果显示,有机氟酸蚀刻熔石英的深度为6μm时,元件的平均激光损伤密度为0.26 cm^(−2),接近先进缓释处理2(AMP2)工艺的水平。基于有机氟酸蚀刻提高熔石英元件的抗激光损伤性能为激光负载能力的提升开辟了一条新途径。

融石英表面高质量亚波长光栅结构的飞秒激光加工

采用钛蓝宝石飞秒激光加工系统在融石英表面诱导表面周期性微纳结构,研究了激光诱导表面周期结构的形成过程以及激光能量密度、脉冲数、光斑大小和脉冲的空间间隔对融石英表面激光诱导表面周期结构的形貌的影响。实验结果表明,飞秒激光在融石英表面可以诱导出周期性的亚波长结构,主要以垂直于激光偏振方向的光栅状结构为主,其周期在百纳米量级且具有更好的可复现性。在激光光斑控制在1μm附近时,所得到的形貌具有较高的规则性。根据实验结果设计了聚焦高斯光斑低通量的加工方式。所制备的光栅结构具有200~300 nm的周期,平均深度约为300 nm。

基于激光的复杂地质样品绿色高效前处理技术研究

全岩地质样品主微量元素组成分析可为研究地球演化、矿床成因、矿产资源分布等地球科学问题提供重要的基础数据。激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)技术可以直接固体进样,避免了传统分析技术繁琐的湿化学消解流程,不仅低污染、低消耗,而且分析速度快,已经成为最有力的元素分析手段之一。但激光剥蚀进样量小,采样无法代表复杂、不均一样品的化学组成,阻碍了其在全岩主、微量元素分析中的应用。将复杂地质样品制备成均一、稳定的样品靶,是开发LA-ICP-MS全岩地质样品分析方法的关键。本文建立了针对复杂地质样品LA-ICP-MS全岩分析的绿色、高效前处理技术。首先将样品在1000~1100℃下煅烧去除挥发份,压制成片后用高能量、宽脉宽红外激光照射熔融,最终得到均一、稳定的样品玻璃。相比直接粉末压片的样品,该技术将海洋沉积物标准物质GBW07354和GBW07356中各元素的平均分析精密度分别提高了7.7倍和3.9倍。优化后的前处理技术已应用于海洋沉积物、土壤和铝土矿标准物质中主微量元素的快速准确分析。海洋沉积物标准物质中大部分元素的测试值与参考值的相对偏差都在10%以内;土壤成分标准物质中大部分主量元素、稀土元素(REEs)、其他微量元素的测试值与参考值的相对偏差分别在5%、20%和15%以内;铝土矿标准样品中测试元素达到40个,首次给出了Sc和W元素的参考值。本文建立的样品前处理技术可快速将海洋沉积物、土壤和铝土矿标准样品制备成均一稳定的玻璃,使LA-ICP-MS技术可直接较好地应用于复杂地质全岩样品(海洋沉积物、土壤和铝土矿)元素分析中,进一步提高了地质样品主微量元素的测试效率。

基于不同材质气溶胶下激光回波特性研究

激光引信易受到气溶胶的干扰,造成引信的虚警,对激光抗气溶胶干扰的研究一直是亟待解决的难题。大气环境中气溶胶的组分是多样的,因此研究不同材质气溶胶的激光回波具有重要意义,而烟雾和云雾是不同材质气溶胶的典型代表。本文基于Mie散射理论和蒙特卡罗随机逻辑方法,分别建立了激光烟雾、云雾单次和多次散射模型,对比分析了不同脉冲宽度10 ns、20 ns和50 ns的光束、不同材质气溶胶烟雾和云雾、不同散射次数的回波特性,得到了不同脉冲宽度激光在不同材质气溶胶下的散射回波规律。仿真结果表明:激光发射脉冲宽度越小和气溶胶能见度越大,目标回波和气溶胶回波的区分效果越好;激光在云雾中的透过率高于烟雾,反射率低于烟雾;激光在烟雾中的衰减度高于云雾。该结论可为研究激光引信在气溶胶环境下后向散射回波特性和提高抗干扰能力提供了研究思路。

激光辐照下熔石英表面损伤的原子模拟

熔石英光学元件是惯性约束核聚变点火装置的核心部件,由于该装置严苛的点火条件对高功率激光的需求,熔石英光学元件在强激光下的损伤是制约点火装置运行的关键.因此,研究激光辐照下熔石英的表面损伤对惯性约束核聚变点火装置的研制至关重要.本文采用大规模非平衡分子动力学模拟方法和适用于动态过程的微结构分析技术,研究激光加载下熔石英表面的损伤过程,基于理论研究的高温等离子体火球模型模拟高温熔石英等离子体球对熔石英表面的破坏,通过跟踪局域结构、温度分布和表面形貌状态,分析影响熔石英表面损伤的因素.研究表明,高温熔石英球的尺寸、距表面的距离和温度都对熔石英表面的破坏具有重要的影响.本文可为认识激光辐照下熔石英中复杂的损伤过程提供指导.

激光功率对预置TA2熔丝增材制造显微组织的影响

为降低钛合金增材制造中材料成本与设备成本,提高丝材形状自由度,将TA2金属条预置在TC4基体上后,采用光纤激光器以不同的激光功率进行熔丝增材制造,并使用超景深光学显微镜对所得试样的成型情况及显微组织进行研究。结果表明:在试验参数下,激光功率为2500W时试样表面平整,显微组织为均匀且细密的片层状β转变组织α’与晶间β+少量等轴初生α相的双态组织,增材层中无明显气孔与裂纹,与基体间均实现了良好的冶金结合,熔合线明显。当激光功率过低(2000 W)时,增材层与基体结合处出现气孔,试样成型形貌较差;激光功率过高(3000 W)时,增材层中组织粗化严重,且存在凝固偏析现象。

激光诱导损伤对熔石英玻璃弯曲强度弱化影响及安全设计

激光诱导损伤是导致熔石英真空光学元件突发破裂的根本原因。本工作采用神光-Ⅲ原型装置终端光学组件的熔石英真空光学元件制作了标准样品,统计分析了熔石英玻璃样品表面损伤形貌特征,探究了激光诱导损伤对熔石英玻璃样品弯曲强度的影响。结果表明:激光诱导熔石英玻璃损伤点形貌为典型的半椭球体,损伤点深度随其长度增大呈上升趋势,深度极限基本不超过2mm;损伤点对熔石英玻璃弯曲强度影响非常明显,含损伤点的样品平均弯曲强度仅为不含损伤点样品平均弯曲强度的41%。随着损伤点长度和深度增大,熔石英玻璃的弯曲强度总体呈下降趋势,但当损伤点长度大于15 mm,弯曲强度下降趋势明显缓和,损伤点长深比对弯曲强度无明显影响。熔石英玻璃真空窗口光学元件安全设计,应考虑玻璃弯曲强度离散性及持久应力作用综合影响,且在损伤点位置处的最大弯曲拉应力不应超过其弯曲强度设计值。

功率超声对材料跨态过程行为影响的研究现状分析

针对功率超声在材料跨态过程中对跨态行为的影响研究进行了综述,主要按照跨态过程的持续时间,分类概述了功率超声对材料铸造跨态过程(>60 s)和激光熔凝跨态过程(<1 s)的影响,并对相关的研究成果进行了评述,最后着重指出进一步研究和开发功率超声在激光快速熔凝领域应用的重要意义和价值。

铝合金激光熔丝增材过程的物理现象及数值模拟

激光增材是一种先进的制造技术,具有良好的发展前景和应用价值。从数值模拟角度研究5083铝合金激光熔丝增材的物理特性,探究增材过程的物理传输现象,分析增材过程温度分布及金属堆积形貌的演化,探究不同工艺参数对金属熔池行为的影响,以期为金属激光熔丝增材的研究提供有益参考。

增材制造技术在燃气轮机研制中的应用研究

在燃气轮机研制阶段,需要对零部件设计进行多次改进迭代。为解决传统加工方式周期长、成本高的问题,将增材制造技术应用于燃气轮机研制过程中。借助于金属3D打印设备,开展了燃气轮机关键部件增材制造成型研究;借助于非金属3D打印机,开展了燃气轮机模型的成型研究。结果显示,增材制造技术能够实现具有非常复杂几何结构的零部件的高效、快速成型,而不必借助额外的工装。将增材制造技术应用于燃气轮机研制过程有助于快速实现产品设计迭代,缩短研发周期、节约研制成本、提高产品性能,适应于先进高性能燃气轮机发展趋势。

激光熔覆化学处理钛合金表面改性的研究

采用两步走的方法实现了钛合金的表面改性,首先在钛合金表面进行激光熔覆CaO或CaCO3,得到冶金结合的复合涂层后,通过在磷酸等含磷酸根的溶液中浸泡CaOCa使涂层中的转变为磷酸盐,从而使钛合金表面具有生物活性.XRD和SEM分析表明,得到了活性涂层,涂层与基体的结合良好.

酸蚀深度对熔石英三倍频激光损伤阈值的影响

采用干涉仪和台阶仪测试蚀刻深度随时间的变化,结合材料去除速率测量,研究了HF酸蚀液对熔石英表面蚀刻的影响。测试了蚀刻后损伤阈值和表面粗糙度的变化。研究表明,熔石英表面重沉积层厚度约16 nm,亚表面缺陷层大于106 nm;重沉积层去除后损伤阈值增大,随亚表面缺陷层暴露其阈值先降低后又增加,最后趋于稳定;然而,随蚀刻时间的增加,其表面粗糙度增大。分析表明,蚀刻到200 nm能有效地提高熔石英的低损伤阈值,有利于降低初始损伤点数量和提高熔石英表面的机械强度。

熔石英亚表面划痕激光诱导损伤阈值实验研究

用原子力显微镜和光学显微镜观测酸蚀后熔石英亚表面划痕,并根据形貌特征将其分为Boussinesq-point-force crack(BPFC)、Hertzian-conical scratch(HCS)和Plastic indent(PI)三类,测试了各类划痕的损伤阈值,讨论了激光损伤机制。结果表明锐度较大的BPFC损伤阈值不超过2.0 J/cm2;深度小于1μm的HCS阈值可达2.6 J/cm2;形变较大的PI阈值至2.8 J/cm2,形变较小的PI的激光损伤阈值与无缺陷材料相当。BPFC和深度超过1μm的HCS是导致熔石英损伤阈值低的主要因素。

水雾对激光引信的衰减

由于水雾会使激光信号产生严重的衰减,从而影响激光引信探测的应用,本文着重研究了绿激光在水雾中传输的衰减特性。首先,基于Mie散射理论,建立了水雾对0.532μm绿激光光束的传输衰减模型;然后,通过仿真计算,对比分析了激光在不同能见度水雾下的衰减特性;最后,通过水雾模拟实验验证了衰减模型的准确性。理论分析和实验结果表明,激光光束的衰减明显受水雾能见度的影响,并随着能见度的降低而增大;0.532μm激光在水雾中的穿透率较高,能见度在50m时可以达到60%以上。实验测得的光能量的透射值与计算值基本一致,最大误差在4%左右,证明了水雾衰减模型的正确性。得到的结果为绿激光在水雾环境下的目标探测系统中的应用提供了理论和实验依据。

大视场激光引信目标识别方法研究

介绍在采用发射扫描、四路大视场接收组合实现对有限尺寸目标的激光大视场探测的方案下,通过采用一片可编程逻辑门阵列器件实现大视场激光引信目标识别信息处理系统的功能。利用可编程逻辑门阵列器件内部相对独立的模块进行并行处理,对扫描的激光脉冲信号进行方位计数、目标距离计数、回波连续性计数,实现了对探测区目标的距离判别、方位判别、尺寸判别。并通过软件仿真该方法对上述功能进行验证,在仿真中可编程逻辑门阵列器件能较好地完成大视场下对有限尺寸目标的识别,对发现引炸距离内的目标实时给出引炸信号,通过方位判别和尺寸判别提高了激光引信抗云雾干扰性能、改善引战配合效率,这表明该方法非常适用于面空导弹和反辐射导弹。

CO_2激光对熔石英表面小尺寸损伤的修复

利用10.6μm的CO2激光对不同直径的点状损伤和不同宽度的划痕进行了修复。经过波长351nm的紫外激光考核发现,对于直径小于80μm的点状损伤和对于宽度小于40μm的划痕,随着损伤点尺寸和划痕宽度的增加,修复后阈值提高程度逐渐降低。划痕的宽度在达到40μm以后修复效果非常微弱。修复过程中,由于作用时间较短及温度分布不均产生了热应力导致样片损伤以后产生径向裂痕,后续的紫外激光会使裂痕明显扩展。当样品被置于高温退火炉内退火3h以后,应力导致开裂的现象得到了解决。

近距云雾回波蒙特卡罗模拟与实验测量

在激光引信中,云雾后向散射会产生引发虚警的回波信号。基于蒙特卡罗法对云雾回波信号进行了模拟仿真,并在云雾室内开展了测量实验,利用测量结果对理论模型进行了验证。研究结果表明:当发射脉冲宽度小于10ns时,云雾散射回波展宽效应显著,且展宽效应主要是由多次散射产生的;激光回波的实验测量结果与理论计算结果吻合得较好,都近似为高斯波形,且其回波宽度的差别小于6%,回波功率差别小于30%。