科學(xué)家發(fā)現(xiàn)可優(yōu)化3D打印鈦金屬植入物新方法

滑鐵盧大學(xué)（University of Waterloo）研究人員在有關(guān)金屬和材料層厚3D打印工藝方面有了新發(fā)現(xiàn)，這與日益增長(zhǎng)的外科整形應(yīng)用行業(yè)息息相關(guān)。

由Ahmad Basalah、Shahrzad Esmaeili、Ehsan Toyserkani合寫(xiě)的《燒結(jié)協(xié)議和層厚對(duì)3D打印鈦金屬多孔生物結(jié)構(gòu)的物理性能和機(jī)械性能的影響(On the influence of sintering protocols and layer thickness on the physical and mechanical properties of additive manufactured titanium porous bio-structures)》一文概述了其最近的研究。該研究為制造商更好地控制3D打印醫(yī)療植入物的機(jī)械和物理完整性帶來(lái)了希望。

研究團(tuán)隊(duì)指出，無(wú)菌性松動(dòng)，即植入物和骨頭之間的連接不緊密，常常導(dǎo)致病人在關(guān)節(jié)置換手術(shù)后再次進(jìn)行手術(shù)。松動(dòng)通常是由應(yīng)力遮擋造成了，因?yàn)閼?yīng)力遮擋使得骨頭缺乏密度，而植入物有時(shí)能造成骨頭功能的削弱。因此，很明顯，骨植入物的創(chuàng)造是一個(gè)嚴(yán)肅同時(shí)必然涉及復(fù)雜性和精密度的工藝。

鈦金屬因其強(qiáng)度和可靠性在許多應(yīng)用中很受歡迎，而它在醫(yī)療植入物中被使用則是因其良好的生物相容性。作為一種植入物材料，它提供了比其他材料更高的耐腐蝕性，因?yàn)樗鼤?huì)在植入物的表面形成一個(gè)保護(hù)性的氧化層。為了減少潛在的應(yīng)力屏蔽問(wèn)題以及利用鈦金屬提供的其他好處，研究人員認(rèn)為鈦泡沫結(jié)構(gòu)是最好的選擇，因?yàn)檫@樣的結(jié)構(gòu)允許適當(dāng)?shù)挠捕群椭亓俊?br />

“我們已經(jīng)多次嘗試采用鈦金屬泡沫結(jié)構(gòu)來(lái)模擬皮質(zhì)骨的性能�！毖芯咳藛T說(shuō)。

研究人員做了幾項(xiàng)不同的研究，他們通過(guò)改變粉末顆粒大小、燒結(jié)溫度、粉末壓實(shí)水平這三個(gè)變量來(lái)操控孔隙率和機(jī)械性能。

“結(jié)果表明，孔隙率的減少與楊氏模量的線性增加相關(guān)。在相同的燒結(jié)溫度下，粉末顆粒的大小和壓實(shí)水平的改變能很大程度地影響孔隙率。然而，單純改變燒結(jié)溫度并沒(méi)有引起孔隙率的顯著變化。得出的結(jié)論是影響孔隙率的關(guān)鍵因素是最初的粉末大小和粉末壓實(shí)水平�！毖芯咳藛T在他們的論文中說(shuō)。

研究人員研究了在3D打印過(guò)程中層厚如何影響粉末壓實(shí)以及溫度變化如何影響植入物與骨頭的連接，其目的是杜絕植入物松動(dòng)、炎癥等問(wèn)題。

“論文中，我們研發(fā)了一個(gè)模型來(lái)預(yù)測(cè)打印零件的密度，借此我們可以計(jì)算出打印零件所能提供的剛度和強(qiáng)度�！被�鐵盧大學(xué)機(jī)械和機(jī)電工程系博士兼Ahmad A. Basalah說(shuō)，“因此，我們可以通過(guò)打印材料來(lái)優(yōu)化打印零件�！�

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用直徑在38–45微米之間的鈦金屬粉末來(lái)3D打印樣品，其使用的打印機(jī)為3D Systems的ZPrinter 310 Plus。他們打印了四種不同類型的層厚來(lái)檢查粉末壓實(shí)，燒結(jié)溫度分別被設(shè)定為800°C、1000°C、1200°C、1400°C。

研究人員報(bào)告說(shuō)，樣品在燒結(jié)過(guò)程結(jié)束時(shí)被爐冷卻。他們還提供了其他研究?jī)?nèi)容，包括孔隙率的研究、壓縮試驗(yàn)、收縮率的測(cè)量、微觀表征和統(tǒng)計(jì)分析。

他們的測(cè)試結(jié)果表明，隨著燒結(jié)溫度增加，層厚會(huì)直接影響孔隙率�！霸谧罡邿�結(jié)溫度（1400°C）下，層厚的降低導(dǎo)致孔隙率顯著下降。而在其他燒結(jié)溫度下，孔隙率僅會(huì)相對(duì)下降�！毖芯咳藛T說(shuō)。

研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告說(shuō)，當(dāng)燒結(jié)溫度升高時(shí)，樣品的平均抗屈強(qiáng)度顯著增加（P＜0.05）。他們看到，當(dāng)溫度為1000°C、1200°C、1400°C時(shí)，抗屈強(qiáng)度的增長(zhǎng)十分明顯，但當(dāng)溫度為800°C時(shí)，增長(zhǎng)并不明顯。

溫度的增長(zhǎng)導(dǎo)致收縮率的增加�！按送�，據(jù)一個(gè)雙向方差統(tǒng)計(jì)測(cè)試顯示，燒結(jié)溫度和粉末壓實(shí)之間的相互作用顯著地從兩個(gè)方向上增加了收縮率（P＜0.05）�！毖芯咳藛T說(shuō)。

總之，他們發(fā)現(xiàn)，粉末的壓實(shí)同層厚一樣影響了孔隙率、強(qiáng)度、剛度和鈦金屬多孔3D打印結(jié)構(gòu)的尺寸偏差。

結(jié)合燒結(jié)溫度，研究人員觀察到兩個(gè)參數(shù)直接物理性地和機(jī)械性地影響3D打印零件的打印結(jié)果。粉末壓實(shí)和溫度能夠影響燒結(jié)頸的大小和其結(jié)構(gòu)中的“孔隙體積”。

“此外，回歸分析表明，孔隙模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間有一個(gè)很好的擬合�！毖芯咳藛T總結(jié)說(shuō)。

在這項(xiàng)研究中，研究人員所構(gòu)建的模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的，這對(duì)3D打印植入物的繼續(xù)使用和用來(lái)模擬皮質(zhì)骨性質(zhì)的鈦金屬泡沫結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是一個(gè)好兆頭。

來(lái)源：marker8&3d打印世界
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