具有独立可调结构孔隙率和机械性能的铁骨植入物的直写成型方法

供稿人：王成玉、鲁中良 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　

增材制造的铁骨植入物因其独特的优势而备受关注，例如可定制的复杂几何形状、可控的内部多孔结构、自降解特性和有吸引力的可生物降解特性。最近的研究依赖于调整结构孔隙率来调节铁植入物的机械性能。铁和天然骨之间材料强度的巨大差异意味着不可能同时制造具有仿骨结构孔隙率和机械性能的铁植入物。吉林大学的Xu等人通过结合DIW和真空升华方法，成功地制造了具有多级孔隙的新型Fe骨植入物。多级孔隙包括结构孔隙和微丝内孔隙，结构孔是由挤出微丝的间隔打印生成，而微丝内孔隙是由锰的升华产生的。在热处理过程中，大多数 Mn升华后形成均匀分布的孔隙，并通过有意地从结构孔隙率调整微丝内孔隙率来有效调节 Fe 植入物的机械性能。图1为结合DIW和微孔真空升华制备具有多级孔隙的Fe骨植入物的原理图。图2为Fe植入物的细丝内孔表征。图3为Fe 植入物的机械性能。

图1 结合DIW和真空升华制备具有多级孔隙的Fe骨植入物的原理 (a) DIW 骨植入物，其特征在于间隔沉积微丝以产生结构孔 (b)热处理以烧结 Fe 颗粒并真空升华 Mn 颗粒以产生细丝内孔 (c) Fe 和 Mn 的饱和蒸气压与温度曲线 (d) 热处理过程的温度曲线 (e) 脊柱单元和大腿骨植入物的印刷和烧结 Fe7Mn3 模型

图 2 Fe植入物的细丝内孔隙表征 (a) 烧结样品和观察区域 (b)~(f) 不同初始Mn 含量的烧结样品的微丝横截面 (g) 微丝内孔隙率和初始锰体积分数 (h) 烧结样品与印刷样品的相对微丝直径。

图 3 Fe 植入物的机械性能 (a) 具有 50% 结构孔隙率和不同初始Mn 含量的烧结样品的压缩应力-应变曲线 (b) 不同结构孔隙率和不同微丝内孔隙率的烧结样品的弹性模量 (c) 不同结构孔隙率和不同微丝内孔隙率的烧结样品的屈服强度 (d) Fe 植入物的结构孔隙率-弹性模量范围，以及皮质骨和松质骨对比

该工作将促进铁骨植入物的临床应用，促进人工骨外科医疗技术的发展。未来的工作可考虑对骨植入物进行体外细胞培养和体内成骨实验，以进一步研究临床适用性。
参考文献：

    徐 C，于 S，吴 W，等。 结构孔隙率和力学性能独立可调的铁骨植入物的直接墨水书写[J]. 增材制造，2022 年。