科學家發(fā)現(xiàn)可優(yōu)化3D打印鈦金屬植入物新方法

滑鐵盧大學（University of Waterloo）研究人員在有關金屬和材料層厚3D打印工藝方面有了新發(fā)現(xiàn)，這與日益增長的外科整形應用行業(yè)息息相關。

由Ahmad Basalah、Shahrzad Esmaeili、Ehsan Toyserkani合寫的《燒結協(xié)議和層厚對3D打印鈦金屬多孔生物結構的物理性能和機械性能的影響(On the influence of sintering protocols and layer thickness on the physical and mechanical properties of additive manufactured titanium porous bio-structures)》一文概述了其最近的研究。該研究為制造商更好地控制3D打印醫(yī)療植入物的機械和物理完整性帶來了希望。

研究團隊指出，無菌性松動，即植入物和骨頭之間的連接不緊密，常常導致病人在關節(jié)置換手術后再次進行手術。松動通常是由應力遮擋造成了，因為應力遮擋使得骨頭缺乏密度，而植入物有時能造成骨頭功能的削弱。因此，很明顯，骨植入物的創(chuàng)造是一個嚴肅同時必然涉及復雜性和精密度的工藝。

鈦金屬因其強度和可靠性在許多應用中很受歡迎，而它在醫(yī)療植入物中被使用則是因其良好的生物相容性。作為一種植入物材料，它提供了比其他材料更高的耐腐蝕性，因為它會在植入物的表面形成一個保護性的氧化層。為了減少潛在的應力屏蔽問題以及利用鈦金屬提供的其他好處，研究人員認為鈦泡沫結構是最好的選擇，因為這樣的結構允許適當?shù)挠捕群椭亓俊?br />

“我們已經(jīng)多次嘗試采用鈦金屬泡沫結構來模擬皮質骨的性能?！毖芯咳藛T說。

研究人員做了幾項不同的研究，他們通過改變粉末顆粒大小、燒結溫度、粉末壓實水平這三個變量來操控孔隙率和機械性能。

“結果表明，孔隙率的減少與楊氏模量的線性增加相關。在相同的燒結溫度下，粉末顆粒的大小和壓實水平的改變能很大程度地影響孔隙率。然而，單純改變燒結溫度并沒有引起孔隙率的顯著變化。得出的結論是影響孔隙率的關鍵因素是最初的粉末大小和粉末壓實水平。”研究人員在他們的論文中說。

研究人員研究了在3D打印過程中層厚如何影響粉末壓實以及溫度變化如何影響植入物與骨頭的連接，其目的是杜絕植入物松動、炎癥等問題。

“論文中，我們研發(fā)了一個模型來預測打印零件的密度，借此我們可以計算出打印零件所能提供的剛度和強度?！被F盧大學機械和機電工程系博士兼Ahmad A. Basalah說，“因此，我們可以通過打印材料來優(yōu)化打印零件?！?br />

在這項研究中，研究人員使用直徑在38–45微米之間的鈦金屬粉末來3D打印樣品，其使用的打印機為3D Systems的ZPrinter 310 Plus。他們打印了四種不同類型的層厚來檢查粉末壓實，燒結溫度分別被設定為800°C、1000°C、1200°C、1400°C。

研究人員報告說，樣品在燒結過程結束時被爐冷卻。他們還提供了其他研究內容，包括孔隙率的研究、壓縮試驗、收縮率的測量、微觀表征和統(tǒng)計分析。

他們的測試結果表明，隨著燒結溫度增加，層厚會直接影響孔隙率?！霸谧罡邿Y溫度（1400°C）下，層厚的降低導致孔隙率顯著下降。而在其他燒結溫度下，孔隙率僅會相對下降?！毖芯咳藛T說。

研究團隊報告說，當燒結溫度升高時，樣品的平均抗屈強度顯著增加（P＜0.05）。他們看到，當溫度為1000°C、1200°C、1400°C時，抗屈強度的增長十分明顯，但當溫度為800°C時，增長并不明顯。

溫度的增長導致收縮率的增加。“此外，據(jù)一個雙向方差統(tǒng)計測試顯示，燒結溫度和粉末壓實之間的相互作用顯著地從兩個方向上增加了收縮率（P＜0.05）?！毖芯咳藛T說。

總之，他們發(fā)現(xiàn)，粉末的壓實同層厚一樣影響了孔隙率、強度、剛度和鈦金屬多孔3D打印結構的尺寸偏差。

結合燒結溫度，研究人員觀察到兩個參數(shù)直接物理性地和機械性地影響3D打印零件的打印結果。粉末壓實和溫度能夠影響燒結頸的大小和其結構中的“孔隙體積”。

“此外，回歸分析表明，孔隙模型和實驗數(shù)據(jù)之間有一個很好的擬合?！毖芯咳藛T總結說。

在這項研究中，研究人員所構建的模型和實驗結果是一致的，這對3D打印植入物的繼續(xù)使用和用來模擬皮質骨性質的鈦金屬泡沫結構來說是一個好兆頭。

來源：marker8&3d打印世界
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