激光增材制造(3D打印)制備生物醫(yī)用多孔金屬工藝及組織性能研究.pdf

1、激光增材制造(3D打印)是一種新型的激光快速成形技術(shù)，通過(guò)制備出的多孔金屬與人體骨在孔隙結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等方面具有相似的特征，使得激光增材制造(3D打印)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。由于激光增材制造(3D打印)技術(shù)發(fā)展時(shí)間較短，關(guān)于其制備出多孔金屬成形件的微觀組織及其演變機(jī)理研究報(bào)道較少，對(duì)制備出多孔金屬成形件進(jìn)行生物相容性等研究報(bào)道同樣較少。因此，開(kāi)展激光增材制造(3D打印)技術(shù)制備出的醫(yī)用多孔金屬植入材料的力學(xué)性能、微觀組織及生物相容性等

2、研究對(duì)其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有重要意義。
　　本文采用激光增材制造(3D打印)技術(shù)制備生物醫(yī)用多孔金屬材料，系統(tǒng)地研究了工藝參數(shù)(掃描間距 d)對(duì)激光束制備出的三種不同多孔金屬材料(多孔鉭、多孔Ti6Al4V合金和多孔316L不銹鋼)的孔隙結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、微觀組織及生物相容性等方面的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，隨著掃描間距d的增大，相鄰兩個(gè)激光作用區(qū)的搭接率降低，多孔金屬的抗壓強(qiáng)度及彈性模量均減小。由于激光作用熱影響區(qū)的存

3、在，導(dǎo)致半熔化狀態(tài)的鉭粉依附于預(yù)留孔壁內(nèi)側(cè)，最終實(shí)際孔徑小于預(yù)留孔徑。多孔鉭的孔隙率為26.41％~43.28%、平均孔徑尺寸在45μm~310μm之間、抗壓強(qiáng)度為312MPa~649MPa、彈性模量為5.0GPa~9.0GPa。多孔 Ti6Al4V合金孔隙率為11.58%~36.11%、平均孔徑尺寸在35μm~295μm之間、抗壓強(qiáng)度為487MPa~1800MPa、彈性模量為6.0GPa~10.8GPa。多孔316L不銹鋼孔隙率為10

4、.32%~31.26%、平均孔徑尺寸在20μm~260μm之間、抗壓強(qiáng)度為2410MPa~3370MPa、彈性模量為9.8GPa~16.5GPa。
　　微觀組織研究表明：多孔鉭的微觀組織主要呈現(xiàn)粗大的樹(shù)枝晶，樹(shù)枝晶內(nèi)部的微觀組織主要為沿著堆積層方向生長(zhǎng)的原始晶粒，原始晶粒主要呈六邊形晶體結(jié)構(gòu)，較大的原始晶粒中間包含多個(gè)尺寸較小的細(xì)亞晶粒。多孔Ti6Al4V合金的微觀組織由貫穿多個(gè)熔覆層且呈外延生長(zhǎng)的粗大柱狀晶組成，柱狀晶的的生長(zhǎng)方

5、向沿著堆積層的方向生長(zhǎng)，由于溫度梯度的影響，遠(yuǎn)離基材區(qū)域的晶粒尺寸大于靠近基材區(qū)域的晶粒尺寸，原始柱狀晶的內(nèi)部微觀組織由細(xì)針狀α相馬氏體組成。多孔316L不銹鋼的微觀組織主要由等軸晶和枝晶組成，等軸晶晶粒平均尺寸約為1.2μm~1.4μm，枝晶晶粒的寬度約為0.8μm~1.0μm；枝晶的生長(zhǎng)方向沿著堆積層的方向生長(zhǎng)，當(dāng)堆積層的溫度梯度達(dá)到一定時(shí)，枝晶向等軸晶發(fā)生轉(zhuǎn)變；壓縮斷口形貌表明斷口由均勻細(xì)小的圓形韌窩組成，表明其壓縮破壞方式為韌性

6、斷裂。
　　生物相容性研究表明：多孔金屬材料的粗糙表面以及內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)有利于金屬表面周?chē)鸂I(yíng)養(yǎng)液的富集，使得細(xì)胞在生長(zhǎng)過(guò)程中有充足的養(yǎng)分提供其生長(zhǎng)，多孔金屬材料有適合于細(xì)胞生長(zhǎng)的環(huán)境，有利于細(xì)胞后續(xù)的生長(zhǎng)；采用 WST-1方法對(duì)三種多孔金屬材料進(jìn)行細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，多孔鉭逐漸表現(xiàn)出較強(qiáng)的促進(jìn)細(xì)胞增殖的能力，當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為7天時(shí)，多孔鉭表面的光強(qiáng)度比多孔Ti6Al4V合金、多孔316L不銹剛表面的光強(qiáng)度高，進(jìn)一