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《MSEA》基于微擠壓3D打印快速制造OPTS的力學性能

科研前沿
2020
06/04
11:18
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來源:材料科學與工程

導讀:本文探討了基于微擠壓的3D打印和無壓微波燒結的五步快速制造醫(yī)用鐵質(zhì)支架的技術。實驗制作了兩種具有相似支桿和孔徑的不同孔形態(tài)結構并對其機械性能進行了評估。

由于有序孔拓撲硬組織支架(ordered pore topological scaffold,OPTS)的比強度高,抗沖擊性能強等優(yōu)勢,在全球范圍的需求劇增,其相互連接的有序孔排列適合于有利的生物營養(yǎng)交換和骨骼重建。OPTS被廣泛進行研究使用的金屬材料主要有鎂,鋅,和鐵,其中鐵及其合金具備更好的機械和生物兼容性而受到格外關注,且人體中鐵降解的腐蝕產(chǎn)物不會對活細胞和整個生物體產(chǎn)生毒性作用。一些研究針對鐵質(zhì)OPTS的制造技術開發(fā)展開,但是普遍存在的問題是昂貴的3D打印設備和較長的工藝路線。因此,需要新的造OPTS制造工藝以簡化工序,降低成本。

本文開發(fā)了基于微擠壓的3D打印和無壓微波燒結聯(lián)合制造鐵質(zhì)OPTS的方法,通過設計微波燒結工序以改進微觀結構,獲得更好的機械性能,同時微波燒結可減少了處理時間。相關論文以題為“Mechanical behaviour of 3D printed ordered pore topological iron scaffold”發(fā)表在Materials Science& Engineering A上,對鐵質(zhì)OPTS的五步制作工藝進行了全面的介紹。
論文鏈接:
https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139293


OPTS新工藝路線主要包括五個制造步驟,圖1代表了工藝路線圖,這些步驟分別是:
(1)通過計算機輔助設計(CAD)創(chuàng)建3D模型;
(2)材料制備;
(3)使用基于微擠壓的3D打印制造支架;
(4)無壓微波燒結;
(5)燒結零件的后處理。

圖1 工藝路線圖

為評估本技術的可行性,設計了不同單元晶格的兩個CAD模型,分別為立方體和六邊形,并分別命名為基于立方的有序晶胞孔拓撲結構支架(C-OPTS)和基于六邊形的有序晶胞孔拓撲結構支架(H-OPTS)。C-OPTS和H-OPTS的總體尺寸分別為22×22×22mm3和25×21×25mm3。

圖2 C-OPTS支架和H-OPTS支架

圖2為基于五步快速制造技術制成的C-OPTS支架和H-OPTS支架,根據(jù)ASTMB962-13標準測量燒結樣品的密度,C-OPTS支架和H-OPTS支架的密度分別為5.43±0.31g/cm3和3.13±0.25g/cm3。在通用測試機上進行單軸壓縮測試,壓縮速率為1mm/min。圖3顯示了支架的壓縮應力-應變圖和實物變形,并根據(jù)標準對機械性能進行評估。

圖3(a)壓縮應力-應變曲線;(b)實物變形圖

結果表明由于燒結前未施加壓力,CIP中的擴散運動導致尺寸變化。從圖3(b)可以推斷出,支柱彎曲是其失效的主要原因。從圖4可以看出,C-OPTS支架比H-OPTS支架具有更高的壓縮機械性能。原因可能是由于孔隙率較低,導致支柱在破壞前發(fā)生了更大的塑性變形。同樣,H-OPTS支架中具有大量容易產(chǎn)生應力的部位和鋒利的邊緣,這些可能是降低抗壓強度的原因。但是,獲得的孔隙率(分別為31%和60.22%)和楊氏模量(269.7MPa和370MPa),是現(xiàn)有支架中與人類松質(zhì)骨孔隙度相仿的成品。

圖4(a)抗壓屈服強度;(b)抗壓強度;(c)平面應力;(d)楊氏模量

該技術已經(jīng)成功地制備了具有不同有序孔形態(tài)的鐵質(zhì)拓撲支架,并簡化了工藝步驟,降低生產(chǎn)成本,提高了機械性能,而且在制造不同類型的孔形態(tài)方面具有靈活性。此外,XRD測試了樣品純度,證明其生物醫(yī)學應用的兼容性,具有很大的潛力。(文:衣兮)

本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯(lián)系,未經(jīng)許可謝絕轉載至其他網(wǎng)站。


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