具有獨(dú)立可調(diào)結(jié)構(gòu)孔隙率和機(jī)械性能的鐵骨植入物的直寫成型方法

供稿人：王成玉、魯中良 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

增材制造的鐵骨植入物因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注，例如可定制的復(fù)雜幾何形狀、可控的內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)、自降解特性和有吸引力的可生物降解特性。最近的研究依賴于調(diào)整結(jié)構(gòu)孔隙率來調(diào)節(jié)鐵植入物的機(jī)械性能。鐵和天然骨之間材料強(qiáng)度的巨大差異意味著不可能同時(shí)制造具有仿骨結(jié)構(gòu)孔隙率和機(jī)械性能的鐵植入物。吉林大學(xué)的Xu等人通過結(jié)合DIW和真空升華方法，成功地制造了具有多級(jí)孔隙的新型Fe骨植入物。多級(jí)孔隙包括結(jié)構(gòu)孔隙和微絲內(nèi)孔隙，結(jié)構(gòu)孔是由擠出微絲的間隔打印生成，而微絲內(nèi)孔隙是由錳的升華產(chǎn)生的。在熱處理過程中，大多數(shù) Mn升華后形成均勻分布的孔隙，并通過有意地從結(jié)構(gòu)孔隙率調(diào)整微絲內(nèi)孔隙率來有效調(diào)節(jié) Fe 植入物的機(jī)械性能。圖1為結(jié)合DIW和微孔真空升華制備具有多級(jí)孔隙的Fe骨植入物的原理圖。圖2為Fe植入物的細(xì)絲內(nèi)孔表征。圖3為Fe 植入物的機(jī)械性能。

圖1 結(jié)合DIW和真空升華制備具有多級(jí)孔隙的Fe骨植入物的原理 (a) DIW 骨植入物，其特征在于間隔沉積微絲以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)孔 (b)熱處理以燒結(jié) Fe 顆粒并真空升華 Mn 顆粒以產(chǎn)生細(xì)絲內(nèi)孔 (c) Fe 和 Mn 的飽和蒸氣壓與溫度曲線 (d) 熱處理過程的溫度曲線 (e) 脊柱單元和大腿骨植入物的印刷和燒結(jié) Fe7Mn3 模型

圖 2 Fe植入物的細(xì)絲內(nèi)孔隙表征 (a) 燒結(jié)樣品和觀察區(qū)域 (b)~(f) 不同初始Mn 含量的燒結(jié)樣品的微絲橫截面 (g) 微絲內(nèi)孔隙率和初始錳體積分?jǐn)?shù) (h) 燒結(jié)樣品與印刷樣品的相對(duì)微絲直徑。

圖 3 Fe 植入物的機(jī)械性能 (a) 具有 50% 結(jié)構(gòu)孔隙率和不同初始Mn 含量的燒結(jié)樣品的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (b) 不同結(jié)構(gòu)孔隙率和不同微絲內(nèi)孔隙率的燒結(jié)樣品的彈性模量 (c) 不同結(jié)構(gòu)孔隙率和不同微絲內(nèi)孔隙率的燒結(jié)樣品的屈服強(qiáng)度 (d) Fe 植入物的結(jié)構(gòu)孔隙率-彈性模量范圍，以及皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨對(duì)比

該工作將促進(jìn)鐵骨植入物的臨床應(yīng)用，促進(jìn)人工骨外科醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展。未來的工作可考慮對(duì)骨植入物進(jìn)行體外細(xì)胞培養(yǎng)和體內(nèi)成骨實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步研究臨床適用性。
參考文獻(xiàn)：

    徐 C，于 S，吳 W，等。 結(jié)構(gòu)孔隙率和力學(xué)性能獨(dú)立可調(diào)的鐵骨植入物的直接墨水書寫[J]. 增材制造，2022 年。