高温激光选区烧结聚醚醚酮/钽/铌复合材料力学与骨整合性能研究

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聚醚醚酮(Polyetheretherketone,PEEK)具有优良的机械性能,弹性模量与人体皮质骨接近,可有效避免应力遮挡造成的骨组织吸收。但其本身不具备生物活性,与骨组织间的整合能力较差,限制了其临床应用。钽(Tantalum,Ta)、铌(Niobium,Nb)具有良好的生物活性,能有效诱导骨组织分化。为此,本文制备了PEEK/Ta/Nb复合粉末材料,通过高温激光选区烧结(High TemperatureSelective Laser Sintering,HT-SLS)增材制造技术成形复合材料多孔点阵结构,系统研究了PEEK/Ta/Nb复合材料的成形工艺、力学性能与骨整合性能。分析了HT-SLS粉床温度控制对PEEK拉伸性能的影响,研究PEEK/Ta/Nb的HT-SLS成形工艺及制件力学性能。结果表明,PEEK拉伸强度随着粉床温度的增加而升高,随着降温速率的增加而降低。其中,在粉床温度为330℃的条件下保温1.5 h时,PEEK制件的拉伸强度达到最高值69.42±2.81 MPa。PEEK/Ta/Nb复合材料的成形温度较PEEK略微降低,加入Ta、Nb后制件的力学性能有不同程度的提升,同时加入Ta/Nb的复合材料性能最佳,拉伸强度与弹性模量达到70.36±3.20 MPa与1726.42±57.42 MPa。制备了三周期极小曲面Gyroid梯度点阵PEEK/Ta/Nb生物支架,研究了复合材料支架的压缩性能并阐明了结构断裂机制,并分析了Ta、Nb对PEEK生物相容性及骨整合性能的影响规律。研究表明,PEEK/Ta、PEEK/Nb与PEEK/Ta/Nb的屈服强度较PEEK(1.19 MPa)分别提升了23.5%、6.7%与44.5%。研究了PEEK/Ta/Nb复合材料的生物活性和骨整合能力。细胞增殖实验表明,第一天PEEK/Ta/Nb组活性细胞数量较PEEK组增加12.7%。四天后,各组活性细胞数量增加至少2.19倍,表明复合材料对细胞的增殖分化具有明显的促进作用。Ta、Nb在术后前期具有明显的成骨诱导作用,可以加快骨缺损的修复速度。本论文研究了PEEK及其复合材料的HT-SLS成形工艺与性能,制备出个性化骨科植入PEEK/Ta/Nb生物支架,可解决骨科中因个体化差异导致的疑难手术需求,对于推动增材制造与生物医学的学科融合发展具有一定意义。
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