科学家发现可优化3D打印钛金属植入物新方法

滑铁卢大学（University of Waterloo）研究人员在有关金属和材料层厚3D打印工艺方面有了新发现，这与日益增长的外科整形应用行业息息相关。

由Ahmad Basalah、Shahrzad Esmaeili、Ehsan Toyserkani合写的《烧结协议和层厚对3D打印钛金属多孔生物结构的物理性能和机械性能的影响(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。该研究为制造商更好地控制3D打印医疗植入物的机械和物理完整性带来了希望。

研究团队指出，无菌性松动，即植入物和骨头之间的连接不紧密，常常导致病人在关节置换手术后再次进行手术。松动通常是由应力遮挡造成了，因为应力遮挡使得骨头缺乏密度，而植入物有时能造成骨头功能的削弱。因此，很明显，骨植入物的创造是一个严肃同时必然涉及复杂性和精密度的工艺。

钛金属因其强度和可靠性在许多应用中很受欢迎，而它在医疗植入物中被使用则是因其良好的生物相容性。作为一种植入物材料，它提供了比其他材料更高的耐腐蚀性，因为它会在植入物的表面形成一个保护性的氧化层。为了减少潜在的应力屏蔽问题以及利用钛金属提供的其他好处，研究人员认为钛泡沫结构是最好的选择，因为这样的结构允许适当的硬度和重量。

“我们已经多次尝试采用钛金属泡沫结构来模拟皮质骨的性能。”研究人员说。

研究人员做了几项不同的研究，他们通过改变粉末颗粒大小、烧结温度、粉末压实水平这三个变量来操控孔隙率和机械性能。

“结果表明，孔隙率的减少与杨氏模量的线性增加相关。在相同的烧结温度下，粉末颗粒的大小和压实水平的改变能很大程度地影响孔隙率。然而，单纯改变烧结温度并没有引起孔隙率的显著变化。得出的结论是影响孔隙率的关键因素是最初的粉末大小和粉末压实水平。”研究人员在他们的论文中说。

研究人员研究了在3D打印过程中层厚如何影响粉末压实以及温度变化如何影响植入物与骨头的连接，其目的是杜绝植入物松动、炎症等问题。

“论文中，我们研发了一个模型来预测打印零件的密度，借此我们可以计算出打印零件所能提供的刚度和强度。”滑铁卢大学机械和机电工程系博士兼Ahmad A. Basalah说，“因此，我们可以通过打印材料来优化打印零件。”

在这项研究中，研究人员使用直径在38–45微米之间的钛金属粉末来3D打印样品，其使用的打印机为3D Systems的ZPrinter 310 Plus。他们打印了四种不同类型的层厚来检查粉末压实，烧结温度分别被设定为800°C、1000°C、1200°C、1400°C。

研究人员报告说，样品在烧结过程结束时被炉冷却。他们还提供了其他研究内容，包括孔隙率的研究、压缩试验、收缩率的测量、微观表征和统计分析。

他们的测试结果表明，随着烧结温度增加，层厚会直接影响孔隙率。“在最高烧结温度（1400°C）下，层厚的降低导致孔隙率显著下降。而在其他烧结温度下，孔隙率仅会相对下降。”研究人员说。

研究团队报告说，当烧结温度升高时，样品的平均抗屈强度显著增加（P＜0.05）。他们看到，当温度为1000°C、1200°C、1400°C时，抗屈强度的增长十分明显，但当温度为800°C时，增长并不明显。

温度的增长导致收缩率的增加。“此外，据一个双向方差统计测试显示，烧结温度和粉末压实之间的相互作用显著地从两个方向上增加了收缩率（P＜0.05）。”研究人员说。

总之，他们发现，粉末的压实同层厚一样影响了孔隙率、强度、刚度和钛金属多孔3D打印结构的尺寸偏差。

结合烧结温度，研究人员观察到两个参数直接物理性地和机械性地影响3D打印零件的打印结果。粉末压实和温度能够影响烧结颈的大小和其结构中的“孔隙体积”。

“此外，回归分析表明，孔隙模型和实验数据之间有一个很好的拟合。”研究人员总结说。

在这项研究中，研究人员所构建的模型和实验结果是一致的，这对3D打印植入物的继续使用和用来模拟皮质骨性质的钛金属泡沫结构来说是一个好兆头。

来源：marker8&3d打印世界
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