具有獨立可調結構孔隙率和機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：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

增材制造的鐵骨植入物因其獨特的優(yōu)勢而備受關注，例如可定制的復雜幾何形狀、可控的內部多孔結構、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整結構孔隙率來調節(jié)鐵植入物的機械性能。鐵和天然骨之間材料強度的巨大差異意味著不可能同時制造具有仿骨結構孔隙率和機械性能的鐵植入物。吉林大學的Xu等人通過結合DIW和真空升華方法，成功地制造了具有多級孔隙的新型Fe骨植入物。多級孔隙包括結構孔隙和微絲內孔隙，結構孔是由擠出微絲的間隔打印生成，而微絲內孔隙是由錳的升華產生的。在熱處理過程中，大多數(shù) Mn升華后形成均勻分布的孔隙，并通過有意地從結構孔隙率調整微絲內孔隙率來有效調節(jié) Fe 植入物的機械性能。圖1為結合DIW和微孔真空升華制備具有多級孔隙的Fe骨植入物的原理圖。圖2為Fe植入物的細絲內孔表征。圖3為Fe 植入物的機械性能。

圖1 結合DIW和真空升華制備具有多級孔隙的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生結構孔 (b)熱處理以燒結 Fe 顆粒并真空升華 Mn 顆粒以產生細絲內孔 (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 Fe7Mn3 模型

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

圖 3 Fe 植入物的機械性能 (a) 具有 50% 結構孔隙率和不同初始Mn 含量的燒結樣品的壓縮應力-應變曲線 (b) 不同結構孔隙率和不同微絲內孔隙率的燒結樣品的彈性模量 (c) 不同結構孔隙率和不同微絲內孔隙率的燒結樣品的屈服強度 (d) Fe 植入物的結構孔隙率-彈性模量范圍，以及皮質骨和松質骨對比

該工作將促進鐵骨植入物的臨床應用，促進人工骨外科醫(yī)療技術的發(fā)展。未來的工作可考慮對骨植入物進行體外細胞培養(yǎng)和體內成骨實驗，以進一步研究臨床適用性。
參考文獻：

    徐 C，于 S，吳 W，等。 結構孔隙率和力學性能獨立可調的鐵骨植入物的直接墨水書寫[J]. 增材制造，2022 年。