3D打印聚醚醚酮復(fù)合材料人工骨的成型參數(shù)優(yōu)化

由外傷、腫瘤切除等引起的骨缺損需要通過(guò)手術(shù)在患者體內(nèi)植入人工骨植入物來(lái)進(jìn)行治療,全球每年進(jìn)行超過(guò)220萬(wàn)例的骨植入手術(shù)以重建各類骨缺損

。鈦合金植入物因力學(xué)性能優(yōu)異得到廣泛應(yīng)用,但因其彈性模量與骨骼相差較大而造成的應(yīng)力遮擋會(huì)導(dǎo)致骨質(zhì)疏松,此外還存在生物惰性、表面生物活性不佳等不足

。以羥基磷灰石(HA)為代表的生物陶瓷材料植入物的生物活性和骨整合能力好,但脆性較大

。聚乙烯、聚乳酸等高分子材料植入物加工成型方便,但機(jī)械性能較低

。

聚醚醚酮(PEEK)是一種半結(jié)晶高分子材料,具有機(jī)械性能優(yōu)異、生物相容性好、X線可透過(guò)性等特點(diǎn),尤其是PEEK的彈性模量與正常人體骨組織更為接近,可以減弱或消除應(yīng)力遮擋效應(yīng)

。自上世紀(jì)90年代開(kāi)始PEEK逐漸成為骨科內(nèi)植入物研究的熱點(diǎn)材料之一,是脊柱、關(guān)節(jié)和創(chuàng)傷等領(lǐng)域中非常有前景的內(nèi)植入物材料。純PEEK是生物惰性材料,不利于成骨細(xì)胞的黏附增殖,骨整合性欠佳,在一定程度上抑制了其在骨植入物方面的應(yīng)用

。HA是人體骨骼和牙齒的主要無(wú)機(jī)成分

,具有良好的生物活性和骨傳導(dǎo)性,能與人體骨組織形成牢固的骨整合。將PEEK與HA混合制備復(fù)合材料,可以在保持骨植入物良好機(jī)械性能的同時(shí)提高其生物活性,有利于與人體組織結(jié)合,增加遠(yuǎn)期骨整合性能。

3D打印骨植入物具有更高的設(shè)計(jì)自由度和更少的原材料浪費(fèi),結(jié)合CT、MRI獲取患者的個(gè)體數(shù)據(jù),利用CAD技術(shù)在術(shù)前為患者準(zhǔn)確設(shè)計(jì)定制化的骨植入物,再利用3D打印實(shí)現(xiàn)多種材料、多層次結(jié)構(gòu)的宏微一體化制造,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)骨植入物形狀和性能的精確控制

。

PEEK及其復(fù)合材料材料的3D打印逐漸被關(guān)注,目前主要采用激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)和熔融沉積成型(FDM)進(jìn)行打印

。SLS精度較高、能夠制備具有內(nèi)部連通微孔的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),但大多數(shù)SLS設(shè)備在成形過(guò)程中不能使用多種材料打印,對(duì)有增強(qiáng)相的PEEK復(fù)合材料的3D打印不易實(shí)現(xiàn)。大部分FDM設(shè)備使用絲材,可以使用預(yù)先加入HA、碳纖維等增強(qiáng)相預(yù)制的復(fù)合材料絲材進(jìn)行打印

,是一種非常適宜制備復(fù)雜形狀的復(fù)合材料骨植入物的3D打印方法。

與傳統(tǒng)注塑模具成型不同

,3D打印過(guò)程是材料逐漸累積的過(guò)程,打印件的性能受到打印過(guò)程中的多種參數(shù)因素影響,打印件的性能與原始材料的性能存在差別

。本文采用FDM法打印了HA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的PEEK/HA復(fù)合材料試樣,對(duì)填充方向、打印速度、分層厚度和打印溫度等4個(gè)重要因素對(duì)試樣性能的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。

對(duì)于美國(guó)固瑞克（Graco）公司來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)的收集及利用是其展出的PulseTM流體處理系統(tǒng)最主要的優(yōu)勢(shì)之一，這不僅與當(dāng)下最熱門(mén)的智能制造概念契合，也可以讓用戶全面、清晰地了解到在汽車(chē)維護(hù)保養(yǎng)業(yè)務(wù)鏈上所發(fā)生的一切與數(shù)據(jù)有關(guān)的趨勢(shì)，為用戶帶來(lái)高效便捷體驗(yàn)的同時(shí)，PulseTM流體處理系統(tǒng)已獲得了眾多業(yè)內(nèi)客戶的認(rèn)可。所以，固瑞克公司希望通過(guò)Automechanika?Shanghai將頂尖的產(chǎn)品、技術(shù)及品牌展示給汽車(chē)后市場(chǎng)及維修制造群體。

1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)于有承重需求的人工骨植入物,力學(xué)性能是保證其承載能力的關(guān)鍵,而不同因素的參數(shù)組合對(duì)3D打印樣件力學(xué)性能的影響也不相同,以拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),采用

(3

)為表頭設(shè)計(jì)四因素三水平的正交試驗(yàn)來(lái)確定最優(yōu)打印參數(shù)。表1列出了9次試驗(yàn)的4個(gè)因素在3個(gè)水平的組合形式,其中因素A、B、C、D分別代表填充方向

、打印速度

、分層厚度

和打印溫度

,各因素水平取值范圍根據(jù)前期單因素研究的結(jié)果確定,試驗(yàn)因素水平表如表1所示。

2 力學(xué)試驗(yàn)

2.1 試樣制備

采用ENGINEER Q300打印機(jī)制備拉伸、彎曲試樣,PEEK/HA絲直徑為1.75 mm的打印機(jī)自帶絲材。HA含量越高,PEEK/HA復(fù)合材料的生物活性越好,但HA含量的增加會(huì)降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。本研究采用了常用HA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的PEEK/HA復(fù)合絲材,打印前將絲材在80 ℃的烘箱中干燥。根據(jù)GB/T 1040—2018制備拉伸試樣,拉伸試樣的填充方向、試樣尺寸如圖1所示。根據(jù)GB/T 9341—2008制備彎曲試樣,彎曲試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm,每組均打印3個(gè)試樣。

2.2.2 極差分析

填充方向?yàn)?0°時(shí),拉伸載荷方向與填充方向垂直,如圖10(c),與拉伸載荷方向垂直的長(zhǎng)條狀孔隙導(dǎo)致力線不連續(xù),力由沉積線間連接的狹窄結(jié)合部傳遞。由圖4(c)可以看出,試樣9在

點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻,中部有很窄的紅色應(yīng)力集中區(qū)域,應(yīng)力集中程度比填充方向?yàn)?5°時(shí)大,在短時(shí)間內(nèi)斷裂。

2.2 拉伸試驗(yàn)

2.2.1 拉伸試驗(yàn)與動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量

維持結(jié)晶巖孔壁巖層應(yīng)力平衡需要的鉆井液液柱壓力為坍塌壓力，應(yīng)力平衡關(guān)系同式(3)。由于結(jié)晶巖強(qiáng)度高，抗剪切強(qiáng)度高、塑性變形小，其坍塌壓力低，在中深井條件下，結(jié)晶巖一般都能滿足該要求。

正交試驗(yàn)的拉伸強(qiáng)度結(jié)果如表2所示,拉伸試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。采用全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)得到了試樣在拉伸過(guò)程中的應(yīng)變分布云圖,圖4所示為與試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線上的

、

、

、

這4個(gè)時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)茍D。

壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)合理，壩體填筑方式、碾壓參數(shù)、質(zhì)量控制措施合適。檢測(cè)的壩體填筑壓實(shí)密度等滿足設(shè)計(jì)要求。壩體填筑質(zhì)量合格。

表3為拉伸強(qiáng)度極差分析結(jié)果,

表示某水平各因素所對(duì)應(yīng)的綜合分之和除以水平總數(shù);極差為

的最大值與最小值之差。各因素的影響程度由大到小依次為打印速度、填充方向、分層厚度、打印溫度。

奶牛春秋兩季配種受胎率最高，而夏季最低，這是由于熱應(yīng)激影響精子的成熟和精液成分，造成公牛性欲低下。另外，影響母牛卵細(xì)胞的分化、發(fā)育、著床，發(fā)情頻率明顯下降。

2.2.3 方差分析

圖5所示為各因素不同水平對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響關(guān)系,最優(yōu)參數(shù)組合為A1B1C2D3,即填充方向?yàn)?°、打印速度為20 mm/s、分層厚度為0.2 mm、打印溫度為440 ℃。因該參數(shù)組合不在正交表的9組參數(shù)內(nèi),所以采用此最優(yōu)參數(shù)補(bǔ)充打印了試樣(標(biāo)記為第10組參數(shù))進(jìn)行驗(yàn)證,試樣10的拉伸強(qiáng)度為69.63 MPa,高于其他9組,與人的皮質(zhì)骨拉伸強(qiáng)度相當(dāng)

。

許沁的拋光部在凌源，一個(gè)五層樓民房的底層。拋光部不大，就一個(gè)大車(chē)間，有幾排水泥大理石砌成的臺(tái)面，安放著十來(lái)臺(tái)拋光機(jī)。十來(lái)個(gè)男員工戴著單薄的頭罩和灰不溜秋的口罩，舉著小五金，對(duì)著拋光機(jī)上的砂輪打磨。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,拉伸性能顯著性分析如表4所示,可知填充方向、打印速度和分層厚度的Sig值均小于0.01,表明這幾個(gè)因素對(duì)結(jié)果影響高度顯著,打印溫度的Sig值在0.01～0.05之間,表明影響顯著,對(duì)拉伸強(qiáng)度影響的顯著程度由大到小依次為打印速度、填充方向、分層厚度、填充方向。

2.3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

各因素對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響程度由大到小依次為打印速度、填充方向、分層厚度、打印溫度。試樣受力分析如圖10所示。由圖10(a)可知,填充方向?yàn)?°時(shí),拉伸載荷方向與填充方向平行,沉積線像一束平行纖維承受拉伸載荷。長(zhǎng)條狀孔隙降低了試樣的截面積,但對(duì)載荷“力線”的阻斷作用小,試樣10表現(xiàn)出了良好的塑性。

應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示,正交試驗(yàn)彎曲強(qiáng)度如表5所示。與試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線上的

、

、

、

這4個(gè)時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)茍D如圖7所示。

由圖6可知：當(dāng)仿真條件改變后傳統(tǒng)的自抗擾控制有抖動(dòng)且大于基于arsh函數(shù)的自抗擾控制，基于arsh函數(shù)的自抗擾控制和基于fal函數(shù)的自抗擾控制相比響應(yīng)時(shí)間更小，魯棒性更好。

2.3.2 極差分析

表6為彎曲強(qiáng)度極差分析結(jié)果,對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響程度由大到小依次為填充方向、打印速度、分層厚度、打印溫度。圖8為各因素對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響關(guān)系,最優(yōu)參數(shù)組合為試樣4:A2B1C2D3,即填充方向?yàn)?5°、打印速度為20 mm/s、分層厚度為0.2 mm、打印溫度為440 ℃。填充方向?qū)澢鷱?qiáng)度的影響最大,且在填充方向45°時(shí)為最優(yōu)水平。

2.3.3 方差分析

影響高速列車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行的因素一大部分上為脫軌問(wèn)題。而隨著速度的不斷提高。脫軌問(wèn)題也變得越來(lái)越重要。而影響脫軌問(wèn)題的主要因素則為橫風(fēng)氣動(dòng)的影響。而高速列車(chē)的側(cè)向力系數(shù)隨著傾斜的角度的變大而變打大，當(dāng)處于相同的傾斜角時(shí)，列車(chē)的頭尾的側(cè)向力系數(shù)明顯大于中間非動(dòng)力車(chē)的傾向力系數(shù)，這就是為什么一輛列車(chē)的頭尾的形狀不同于中間車(chē)廂的形狀，且列車(chē)頭尾的流動(dòng)性更高，最大縱剖面輪廓線曲率較大，而更平緩的流線型使得頭部縱向長(zhǎng)細(xì)比系數(shù)越小，這就是為什么越高速的列車(chē)，其頭部越類似于子彈的形狀。

拉伸試樣斷面掃描電鏡圖如圖11所示,圖11(a)顯示試樣的斷口相對(duì)平整。填充方向?yàn)?5°時(shí),拉伸載荷方向與填充方向呈45°,拉伸載荷的力線不連續(xù)。圖4(b)的應(yīng)力應(yīng)變曲線上

、

點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻,試樣中部出現(xiàn)了45°分布紅色的應(yīng)力集中區(qū)域,應(yīng)力集中程度比0°時(shí)大,如圖4(a),表明填充方向?yàn)?5°時(shí)對(duì)力線有切斷作用,圖11(b)所示的試樣斷口有參差不齊的斷層。

2.4 內(nèi)部缺陷分析

打印件內(nèi)部的微觀缺陷,是3D打印存在的共性問(wèn)題,內(nèi)部微觀缺陷會(huì)影響打印件的力學(xué)性能。采用微米X射線三維成像系統(tǒng)(y.catotah,YXLON,德國(guó))對(duì)試樣內(nèi)部孔隙缺陷進(jìn)行了分析,選取位置及內(nèi)部缺陷分布情況如圖9所示。

缺陷形式為平行于掃描方向的長(zhǎng)條狀孔隙,處于沉積線的交接處,破壞了試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性,使結(jié)合界面成為連接最薄弱的部位,在受力過(guò)程中容易失效。

3 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)與動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量

彎曲試驗(yàn)的方差分析結(jié)果如表7所示。填充方向、打印速度的Sig值均小于0.01,說(shuō)明對(duì)結(jié)果影響高度顯著,分層厚度、打印溫度的Sig值在0.01～0.05之間,影響顯著。對(duì)彎曲強(qiáng)度影響的顯著程度由大到小依次為填充方向、打印速度、分層厚度、填充方向。

利用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(瑞格爾3005T)分別進(jìn)行單軸拉伸和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),加載速度為2 mm/min。在進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)的同時(shí),使用三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)(新拓三維XTDIC)對(duì)被測(cè)試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集,此系統(tǒng)有兩組攝像機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集,每組各有一對(duì)攝像頭,試驗(yàn)前對(duì)試樣噴漆形成斑點(diǎn),試驗(yàn)裝置如圖2所示。

3.2 彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

各因素對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響程度大小依次為填充方向、打印速度、分層厚度、打印溫度。彎曲試樣斷面掃描電鏡圖如圖12所示,填充方向?yàn)?°時(shí),由圖12(a)可知,試樣斷口上半部因受壓相對(duì)緊密,下半部受拉使沉積線截面變細(xì),孔隙擴(kuò)大。試樣1的應(yīng)變?cè)茍D可知其底面有矩形的應(yīng)力集中區(qū)域。

填充方向45°時(shí),應(yīng)變?cè)茍D顯示試樣4底面有較窄的紅色應(yīng)力集中區(qū)域,側(cè)邊有傾角,試樣底面沉積線間有45°的裂紋。圖12(b)所示的斷口表面形貌參差不齊。圖12(c)所示的試樣斷口可見(jiàn)明顯的分層,沉積線間的連接部分撕裂形成刀刃狀。

填充方向90°時(shí),試樣9在應(yīng)力應(yīng)變曲線的d點(diǎn)時(shí)刻,試樣底面有較窄的紅色應(yīng)力集中區(qū)域。試樣正面中線處有一條沿試樣長(zhǎng)度方向分布的紅色應(yīng)力集中區(qū)域,與試樣中性層相對(duì)應(yīng),試樣在底面應(yīng)力集中區(qū)域斷裂,在正面紅色應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生了層間剝離。圖12(d)可知,斷面下半部有刀刃狀特征,上半部被擠壓,沒(méi)有出現(xiàn)刀刃狀形貌。

菌株充分活化后，以1%接種量接種于LB培養(yǎng)基中，37 ℃，180 r·min-1振蕩培養(yǎng)，取100 μL致病菌(調(diào)整菌液濃度為1×107 CFU·mL-1)涂布于LB平板上，待平板表面干燥后，平穩(wěn)放置3個(gè)牛津杯，向牛津杯內(nèi)分別加入200 μL的荷葉發(fā)酵上清液，37 ℃培養(yǎng)20 h后，測(cè)量抑菌圈大小。

4 細(xì)胞黏附與增殖試驗(yàn)

打印10 mm×10 mm×1 mm的PEEK/HA試樣進(jìn)行細(xì)胞黏附試驗(yàn)和細(xì)胞增殖試驗(yàn),細(xì)胞黏附及增殖試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。分別在1、3、5、7天對(duì)細(xì)胞試驗(yàn)的試樣進(jìn)行處理后用掃描電鏡觀察,發(fā)現(xiàn)隨著試樣表面MC3T3-E1細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),材料表面的細(xì)胞數(shù)量增多,分泌的基質(zhì)和鈣化顆粒增多。第7天時(shí),1 000倍掃描電鏡下可觀察到MC3T3-E1細(xì)胞在材料表面黏附生長(zhǎng),細(xì)胞鋪展良好,細(xì)胞分泌出大量基質(zhì),如圖13(a)所示。2 000倍電鏡下可觀察到細(xì)胞伸出偽足和表面分泌的鈣化顆粒,細(xì)胞生長(zhǎng)增殖良好,且已有細(xì)胞在材料表面出現(xiàn)細(xì)胞重疊生長(zhǎng),說(shuō)明PEEK/HA材料的生物相容性良好,如圖13(b)所示。

5 結(jié) 論

對(duì)PEEK/HA復(fù)合材料3D打印參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,研究了4個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)試樣力學(xué)性能的影響規(guī)律,得出如下結(jié)論。

(1)各因素對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響程度由大到小依次為打印速度、填充方向、分層厚度、打印溫度。優(yōu)化的結(jié)果是:填充方向0°、打印速度為20 mm/s、分層厚度為0.2 mm、打印溫度為440 ℃時(shí)拉伸強(qiáng)度最高為69.63 MPa。

這道練習(xí)題的精妙之處在于將周長(zhǎng)置于圖形的背景之中，利用形狀、面積對(duì)周長(zhǎng)產(chǎn)生干擾后準(zhǔn)確找出周長(zhǎng)并進(jìn)行比較，以考查學(xué)生對(duì)周長(zhǎng)意義的真正理解。在實(shí)際教學(xué)中，當(dāng)學(xué)生第一眼看到這幅圖時(shí)，從心理學(xué)角度來(lái)看，面積大小、形狀是屬于強(qiáng)刺激，而周長(zhǎng)則屬于弱刺激，所以最先反應(yīng)在學(xué)生頭腦中的是甲、乙兩個(gè)圖形的形狀和面積的差異，而周長(zhǎng)在學(xué)生頭腦中的反應(yīng)是滯后的。本題在設(shè)計(jì)時(shí)就是借助這個(gè)原理，使學(xué)生對(duì)周長(zhǎng)辨別造成干擾甚至誤導(dǎo)，如果學(xué)生對(duì)周長(zhǎng)內(nèi)涵的理解不透徹就很容易填錯(cuò)，因此從習(xí)題設(shè)計(jì)意圖以及長(zhǎng)期受教師青睞這個(gè)角度來(lái)講，這堪稱是一道經(jīng)典好題！如果作為一道檢測(cè)題，同樣也是一道可以有效檢測(cè)學(xué)生對(duì)周長(zhǎng)概念理解程度的好題。

(2)各因素對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響程度由大到小為填充方向、打印速度、分層厚度、打印溫度。優(yōu)化的結(jié)果是:填充方向45°、打印速度為20 mm/s、分層厚度為0.2 mm、打印溫度為440 ℃時(shí)制備的試樣彎曲強(qiáng)度為99.5 MPa。

(3)利用優(yōu)化參數(shù)打印的PEEK/HA試樣的力學(xué)性能與人皮質(zhì)骨相當(dāng)。細(xì)胞黏附和增殖試驗(yàn)的結(jié)果表明,PEEK/HA復(fù)合材料具備了良好的細(xì)胞相容性,是一種良好的人工骨植入物材料。

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