《MSEA》基于微擠壓3D打印快速制造OPTS的力學(xué)性能

來源：材料科學(xué)與工程

導(dǎo)讀：本文探討了基于微擠壓的3D打印和無壓微波燒結(jié)的五步快速制造醫(yī)用鐵質(zhì)支架的技術(shù)。實(shí)驗(yàn)制作了兩種具有相似支桿和孔徑的不同孔形態(tài)結(jié)構(gòu)并對(duì)其機(jī)械性能進(jìn)行了評(píng)估。

由于有序孔拓?fù)溆步M織支架（ordered pore topological scaffold，OPTS）的比強(qiáng)度高，抗沖擊性能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，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(jìn)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(jī)械和生物兼容性而受到格外關(guān)注，且人體中鐵降解的腐蝕產(chǎn)物不會(huì)對(duì)活細(xì)胞和整個(gè)生物體產(chǎn)生毒性作用。一些研究針對(duì)鐵質(zhì)OPTS的制造技術(shù)開發(fā)展開，但是普遍存在的問題是昂貴的3D打印設(shè)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(jié)聯(lián)合制造鐵質(zhì)OPTS的方法，通過設(shè)計(jì)微波燒結(jié)工序以改進(jìn)微觀結(jié)構(gòu)，獲得更好的機(jī)械性能，同時(shí)微波燒結(jié)可減少了處理時(shí)間。相關(guān)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(duì)鐵質(zhì)OPTS的五步制作工藝進(jìn)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(gè)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（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(jié)；
（5）燒結(jié)零件的后處理。

圖1 工藝路線圖

為評(píng)估本技術(shù)的可行性，設(shè)計(jì)了不同單元晶格的兩個(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)支架（C-OPTS）和基于六邊形的有序晶胞孔拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shù)制成的C-OPTS支架和H-OPTS支架，根據(jù)ASTMB962-13標(biāo)準(zhǔn)測量燒結(jié)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(jī)上進(jìn)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(yīng)力-應(yīng)變圖和實(shí)物變形，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)械性能進(jìn)行評(píng)估。

圖3（a）壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）實(shí)物變形圖

結(jié)果表明由于燒結(jié)前未施加壓力，CIP中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)導(dǎo)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(jī)械性能。原因可能是由于孔隙率較低，導(dǎo)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(yīng)力的部位和鋒利的邊緣，這些可能是降低抗壓強(qiáng)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(qiáng)度；（b）抗壓強(qiáng)度；（c）平面應(yīng)力；（d）楊氏模量

該技術(shù)已經(jīng)成功地制備了具有不同有序孔形態(tài)的鐵質(zhì)拓?fù)渲Ъ?，并簡化了工藝步驟，降低生產(chǎn)成本，提高了機(jī)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(xué)應(yīng)用的兼容性，具有很大的潛力。（文：衣兮）

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