仿生人工骨材料PLA-nHA熔融沉積的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、骨骼是人體的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著支撐、保護(hù)、造血、貯鈣、運(yùn)動及代謝等多種功能。隨著我國老齡化階段的到來，骨骼疾病的發(fā)生率日益增加，人類對于骨骼的移植以及修復(fù)的需求也日益增加，因此研制適用于人體移植的仿生人工骨并代替破損骨骼成為骨骼疾病治療的一個重要手段。目前，利用熔融沉積成型技術(shù)（FDM）制備的聚乳酸-納米羥基磷灰石復(fù)合材料（PLA-nHA）由于具有很好的力學(xué)特性、細(xì)胞相容性、骨誘導(dǎo)性及生物可降解性等優(yōu)點(diǎn)，便于細(xì)胞的生長與繁殖而備受關(guān)注

2、。但是，采用FDM打印該材料的難點(diǎn)在于聚乳酸（PLA）作為一種熱塑性高分子材料容易發(fā)生翹曲變形，同時，納米羥基磷灰石（nHA）作為一種陶瓷材料成型較為困難，從而使得仿生人工骨的打印精度不高。因此，研究PLA-nHA的熔融沉積過程，并優(yōu)化打印工藝參數(shù)，獲得高精度的仿生人工骨材料，可以為采用FDM成型技術(shù)制備仿生人工骨提供有效的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。
　　為此，本文基于FDM成型技術(shù)研究了PLA-nHA的成型過程，旨在提高該材料制備仿生

3、人工骨的成型精度。本文研究的主要工作有：
　　FDM成型過程熱力學(xué)仿真模型的建立及分析。首先，根據(jù)FDM成型過程的溫度場及熱耦合應(yīng)力場有限元仿真理論，確定了非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程及熱耦合應(yīng)力場問題的求解方法。其次，基于FDM的實(shí)際成型過程確定了合理的材料屬性、仿真物理模型、單元類型、邊界條件及載荷，采用“生死單元”技術(shù)并基于ANSYS參數(shù)化編程語言（APDL）建立了FDM成型過程的溫度場及熱耦合應(yīng)力場仿真模型。最后，根據(jù)仿真結(jié)果分析

4、了FDM成型過程中溫度場的分布、成型結(jié)束時刻等效應(yīng)力的分布及特征節(jié)點(diǎn)的溫度、溫度梯度、等效應(yīng)力隨時間變化的關(guān)系，仿真結(jié)果與實(shí)際成型過程保持一致，驗(yàn)證了熱力學(xué)仿真模型的正確性。
　　打印工藝參數(shù)對FDM成型過程影響的有限元仿真。首先，根據(jù)FDM實(shí)際成型過程，確定了影響FDM成型精度的打印工藝參數(shù)。其次，結(jié)合實(shí)際成型過程分別建立了成型室溫度、噴頭溫度、成型速度、分層厚度、成型角度對FDM成型過程的熱力學(xué)仿真模型。最后，通過分析成型結(jié)束

5、時刻仿真模型的溫度場分布、特征節(jié)點(diǎn)的溫度梯度隨時間變化關(guān)系、成型結(jié)束時刻熱耦合應(yīng)力場的分布確定了各打印工藝參數(shù)對FDM成型過程的精度影響，為實(shí)驗(yàn)分析提供了一定的理論指導(dǎo)。
　　FDM成型過程的實(shí)驗(yàn)研究。首先，利用熔融共混技術(shù)制備了可供熔融沉積設(shè)備打印的PLA-nHA，并設(shè)計了便于實(shí)驗(yàn)考查及測量的打印模型。其次，基于實(shí)際打印情況，設(shè)計了各打印工藝參數(shù)下合理的實(shí)驗(yàn)方案，并完成打印實(shí)驗(yàn)，然后測量了長度、寬度、厚度方向的尺寸誤差，仿真結(jié)果