【摘 要】
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在陶瓷增材制造领域,立体光刻技术凭借优异的表面质量、良好的成型性能以及极强的复杂零件构建能力,在陶瓷人体植入物领域展现出巨大的应用潜力。氮化硅(Si3N4)陶瓷作为一种理想的人体植入物材料,具有优异的力学性能、良好的生物相容性以及较好的骨诱导效果,在生物医学领域有着较好的应用前景。目前,针对Si3N4陶瓷立体光刻技术的研究较少,且绝大部分研究针对Si3N4陶瓷浆料体系的优化。本课题组前期开展了氧化
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在陶瓷增材制造领域,立体光刻技术凭借优异的表面质量、良好的成型性能以及极强的复杂零件构建能力,在陶瓷人体植入物领域展现出巨大的应用潜力。氮化硅(Si3N4)陶瓷作为一种理想的人体植入物材料,具有优异的力学性能、良好的生物相容性以及较好的骨诱导效果,在生物医学领域有着较好的应用前景。目前,针对Si3N4陶瓷立体光刻技术的研究较少,且绝大部分研究针对Si3N4陶瓷浆料体系的优化。本课题组前期开展了氧化铝、氧化锆粘弹膏体的陶瓷立体光刻3D打印,具有抑制材料沉降的显著优势,此外,利用粘弹膏体高屈服应力特点可以实施随形非接触支撑策略,避免因去除支撑而产生的表面损伤。由于Si3N4粉体易团聚且与树脂间的相容性差而导致膏体固含量较低,Si3N4陶瓷属深色体系吸光性强,粉体与树脂间折射率较大而导致不易固化等,Si3N4粘弹膏体打印在材料设计构建、固化成型以及脱脂烧结等方面仍然面临诸多问题。针对上述问题,本文对Si3N4陶瓷粘弹膏体打印体系进行深入研究,遴选合适的Si3N4陶瓷粉体,通过高折射率的光聚合单体ACMO和溶剂POE的引入,改善Si3N4陶瓷粉体与液体间折射率差过大的问题,增加了固化厚度;使用硅烷偶联剂KH-560对粉体进行表面改性,改善了 Si3N4粉体与单体间的相容性,利用聚酰胺蜡活化后的触变特性将高固含量的陶瓷浆料转化为流变适宜并可用于立体光刻的Si3N4陶瓷膏体,其最大固含量达到53 vol%。探究了 Si3N4立体光刻技术的工艺参数,获得高精度、优异表面质量的复杂零件坯体,确立Si3N4陶瓷坯体的脱脂烧结制度,保证在脱脂烧结过程不会产生缺陷而影响烧结体的力学性能。最后获得了固含量为50vol%且流变适宜的粘弹Si3N4膏体,经打印、脱脂烧结后得到硬度和弹性模量分别为16.090 GPa和363.061 GPa,断裂韧性为3.617 MPa·m1/2的致密Si3N4陶瓷,其致密度达到了 98.872%。最后对Si3N4陶瓷烧结体进行细胞毒性、增殖及溶血等生物学试验,初步证实其满足植入物的生物相容性要求。本文针对Si3N4陶瓷立体光刻3D打印技术进行探索,对Si3N4膏体陶瓷立体光刻技术进行探讨,为粘弹膏体的高效精准光固化增材制造及应用提供了借鉴。
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