基于羟基磷灰石的3D打印和烧结强化人工骨技术研究

发布时间：2017-05-26 14:07

  本文关键词：基于羟基磷灰石的3D打印和烧结强化人工骨技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：人工骨制备属于个性化制造,不仅要求与患者的骨缺损部位相符合,还要有良好的力学性能,具有与人体骨组织相似的相互连通的微孔洞结构。使用传统加工方法(如车、铣、磨、锻等),难以加工出内部的微孔洞结构,往往需要很长的时间,产品不一定满足个体化患者需求,经常需要进一步的后处理加工。采用3D打印技术加工人工骨,理论上能加工出任意形状的人工骨及其内部的微孔洞结构,并能控制微空洞的数量、大小及分布,为细胞、血管等的长入提供生长空间,加快骨修复过程。本文研究的主要内容包括:首先分析人工骨的传统加工方法的局限性,结合3D打印技术的快速发展现状,最终提出了一种采用3D打印技术加工多孔人工骨的方案:采用三维打印法(3DP)加工羟基磷灰石生物陶瓷,使用聚乙烯醇作为粘结剂,使用无水柠檬酸作为造孔剂,使用氧化锆作为增韧物质。在设计新方案的过程中,在一些重要方面进行了理论分析研究:3D打印技术相对于传统人工骨加工方法的优点,不同的3D打印技术对于人工骨加工的优缺点,陶瓷烧结强化方式的选择,多孔生物陶瓷相对于致密生物陶瓷的优势,新型三维打印机的性能要求,人工骨陶瓷基体材料的选择,粘结剂、造孔剂、增韧物质的选择、生物陶瓷的性能评价指标等。结合提出的方案,在借鉴普通的三维打印机的基础上做出了一些改进,例如Z方向工作台的传动结构设计,添加可以喷射不同类型材料的多喷头结构,造孔剂添加量与孔隙率的关系等,对新型3D打印机的工艺流程、系统组成、性能要求、加工误差分析等方面进行了研究。在本文的后半部分,在理论上研究了羟基磷灰石的烧结特性,选择了合适的烧结方式(微波烧结)。通过试验确定了不同的陶瓷材料成分比例对陶瓷力学性能的影响,最终确定了合适的材料比例:将不同比例的造孔剂、增韧物质加入到羟基磷灰石粉末中进行烧结,研究材料成分、添加量对陶瓷力学性能的影响,为以后加工出满足力学性能和生物相容性的、符合患者需求的生物陶瓷人工骨奠定了基础。
【关键词】：人工骨 3D打印 生物陶瓷 骨修复 微波烧结
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.08;TP391.73
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-16
• 1.1 3D打印技术介绍8-11
• 1.1.1 3D打印技术的广泛应用8-9
• 1.1.2 3D打印技术原理简介9-11
• 1.2 人工骨介绍11-13
• 1.2.1 骨修复材料的需求11-12
• 1.2.2 当前 3D打印技术在医学领域的应用12-13
• 1.3 本课题的研究内容及意义13-14
• 1.3.1 研究内容13
• 1.3.2 研究意义13-14
• 1.4 本章小结14-16
• 2 3D打印技术与骨骼修复技术的有机结合16-32
• 2.1 加工方法的确定16-22
• 2.1.1 人工骨的加工方法16-18
• 2.1.2 不同 3D打印方法在人工骨加工方面的比较18-20
• 2.1.3 人工骨陶瓷的烧结方法20-22
• 2.2 材料成分的选择22-30
• 2.2.1 人工骨材料的分类22-23
• 2.2.2 羟基磷灰石介绍23-24
• 2.2.3 打印材料羟基磷灰石的要求24
• 2.2.4 羟基磷灰石复合材料的优势24-26
• 2.2.5 羟基磷灰石生物陶瓷的不同分类26-28
• 2.2.6 多孔羟基磷灰石陶瓷的优势28
• 2.2.7 粘结剂的选择28-29
• 2.2.8 造孔剂的选择29
• 2.2.9 增韧物质的选择29-30
• 2.3 加工方案30-31
• 2.3.1 建立模型30
• 2.3.2 增材成形30-31
• 2.3.3 烧结强化31
• 2.3.4 性能评价31
• 2.4 本章小结31-32
• 3 三维打印机的系统设计32-58
• 3.1 基于现有 3D打印机进行创新性改进32-36
• 3.1.1 普通三维打印机的局限性32-33
• 3.1.2 喷头数量的确定33-35
• 3.1.3 粉末材料的混合腔体设计35
• 3.1.4 孔隙率的计算判断35-36
• 3.2 系统结构36-50
• 3.2.1 软件控制系统36-37
• 3.2.2 硬件控制系统37-38
• 3.2.3 机械系统组成38-41
• 3.2.4 工作台的Z向运动41-46
• 3.2.5 喷射方式选择46-48
• 3.2.6 三维打印机的工艺流程48-50
• 3.3 工艺优化50-56
• 3.3.1 制件可能存在的缺陷及应对措施50-52
• 3.3.2 成形误差分析52-53
• 3.3.3 三维打印工艺参数53-55
• 3.3.4 三维打印机的技术参数要求55-56
• 3.4 本章小结56-58
• 4 羟基磷灰石烧结特性及试验研究58-74
• 4.1 烧结强化工艺58-60
• 4.2 力学性能和物理特性检测60-61
• 4.3 试验方案61-64
• 4.3.1 本试验的增材成形工艺61-63
• 4.3.2 本试验的烧结强化工艺63-64
• 4.4 试验设计64-69
• 4.4.1 试验一烧结条件的研究64-67
• 4.4.2 试验二不同的材料添加量的研究67-69
• 4.5 试验结果与分析69-73
• 4.5.1 试验一的结果分析69-70
• 4.5.2 试验二的结果分析70-73
• 4.6 本章小结73-74
• 5 总结与展望74-76
• 5.1 全文总结74
• 5.2 研究展望74-76
• 致谢76-78
• 参考文献78-81

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