基于选择性激光烧结TPMS多孔支架制备及其性能研究

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增材制造(AM)以其可以制造复杂零件的优势,在骨组织工程中开辟出新的天地。其中,选择性激光烧结(SLS)可以精确控制骨支架孔隙结构、烧结多种复合材料,因此受到人们的青睐。骨支架需满足良好的力学性能和生物性能,聚十二内酰胺(PA12)作为SLS常用的烧结材料,其成形件力学性能好;羟基磷灰石(HA)可以有效促进骨骼生长。因此,本文以SLS成形PA12/HA复合TPMS多孔支架为目标,首先确定SLS最佳工艺参数,再针对支架设计孔隙结构,然后以不同复合材料使用SLS制备骨支架,通过压缩实验、生物活性测试研究其力学性能和生物性能,最后设计并成形出梯度多孔骨支架以力学性能为指标进行讨论。为了研究SLS最佳工艺参数,本文设计了六组不同工艺方案,分别制备出PA12烧结件进行规律探究。通过对烧结件致密度、尺寸精度、断面形貌、压缩性能以及有限元熔池进行综合分析,确定激光能量密度为0.08J/mm~2组烧结件性能最优。同时结合多次实验得到的设备参数,得到最优工艺参数分别为:预热温度170℃、铺粉层厚0.1mm、基底厚度10mm、扫描间距0.12mm、激光能量密度(AED)0.08J/mm~2(P=12W、V=1500mm/s)。针对骨支架孔隙结构设计,本文以Schwarz P、Diamond、Gyroid三周期极小曲面(TPMS)结构为基础,用Grasshopper软件实现支架曲率(a)-孔隙率(K)参数化建模,以PA12材料进行SLS支架成形,并通过压缩试验得出P曲面支架力学性能最优,后续实验均以P曲面为支架结构进行研究。对于PA12/HA复合材料骨支架,本文以复合材料物化性能、生物性能、不同孔隙率对复合骨支架力学性能影响等方面展开讨论。首先从物相及热分析角度确定不同配比的复合材料并未发生物理、化学反应。随后设计了4种PA12/HA不同配比方案,每种方案分别成形出孔隙率为50%、55%、60%、65%、70%、75%6种支架,通过对每组支架压缩试验,得到支架孔隙率(K)与对应弹性模量(E)的关系,从而在Grasshopper里实现支架曲率(a)-孔隙率(K)-弹性模量(E)参数化建模。为了确定最佳配比方案,本文对不同配比成形的支架进行了亲水性测试、断面形貌观察、CCK-8检测,并结合了复合材料有限元烧结分析,最终确定96%PA12/4%HA为骨支架最佳复合材料配比。依靠支架a-K-E参数化建模方法,构建出孔隙率为55%-59%-64%(A)、64%-55%-59%(B)、55%-64%-59%(C)三种梯度多孔支架。对以96%PA12/4%HA为材料成形出的复合梯度骨支架进行轴向、径向压缩实验,结果表明,径向压缩压缩模量远高于轴向压缩;径向压缩时B组压缩模量和屈服强度最高,分别为348.07MPa和12.26MPa;轴向压缩时,A组压缩模量和屈服强度最高,分别为248.45MPa和12.06MPa。
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