激光增材制造(3D打印)制备生物医用多孔金属工艺及组织性能研究

摘要

激光增材制造(3D打印)是一种新型的激光快速成形技术，通过制备出的多孔金属与人体骨在孔隙结构、力学性能等方面具有相似的特征，使得激光增材制造(3D打印)广泛应用于生物医学领域。由于激光增材制造(3D打印)技术发展时间较短，关于其制备出多孔金属成形件的微观组织及其演变机理研究报道较少，对制备出多孔金属成形件进行生物相容性等研究报道同样较少。因此，开展激光增材制造(3D打印)技术制备出的医用多孔金属植入材料的力学性能、微观组织及生物相容性等研究对其在医学领域的广泛应用具有重要意义。
　　本文采用激光增材制造(3D打印)技术制备生物医用多孔金属材料，系统地研究了工艺参数(扫描间距 d)对激光束制备出的三种不同多孔金属材料(多孔钽、多孔Ti6Al4V合金和多孔316L不锈钢)的孔隙结构、力学性能、微观组织及生物相容性等方面的影响规律进行了研究。研究结果表明，随着扫描间距d的增大，相邻两个激光作用区的搭接率降低，多孔金属的抗压强度及弹性模量均减小。由于激光作用热影响区的存在，导致半熔化状态的钽粉依附于预留孔壁内侧，最终实际孔径小于预留孔径。多孔钽的孔隙率为26.41％~43.28%、平均孔径尺寸在45μm~310μm之间、抗压强度为312MPa~649MPa、弹性模量为5.0GPa~9.0GPa。多孔 Ti6Al4V合金孔隙率为11.58%~36.11%、平均孔径尺寸在35μm~295μm之间、抗压强度为487MPa~1800MPa、弹性模量为6.0GPa~10.8GPa。多孔316L不锈钢孔隙率为10.32%~31.26%、平均孔径尺寸在20μm~260μm之间、抗压强度为2410MPa~3370MPa、弹性模量为9.8GPa~16.5GPa。
　　微观组织研究表明：多孔钽的微观组织主要呈现粗大的树枝晶，树枝晶内部的微观组织主要为沿着堆积层方向生长的原始晶粒，原始晶粒主要呈六边形晶体结构，较大的原始晶粒中间包含多个尺寸较小的细亚晶粒。多孔Ti6Al4V合金的微观组织由贯穿多个熔覆层且呈外延生长的粗大柱状晶组成，柱状晶的的生长方向沿着堆积层的方向生长，由于温度梯度的影响，远离基材区域的晶粒尺寸大于靠近基材区域的晶粒尺寸，原始柱状晶的内部微观组织由细针状α相马氏体组成。多孔316L不锈钢的微观组织主要由等轴晶和枝晶组成，等轴晶晶粒平均尺寸约为1.2μm~1.4μm，枝晶晶粒的宽度约为0.8μm~1.0μm；枝晶的生长方向沿着堆积层的方向生长，当堆积层的温度梯度达到一定时，枝晶向等轴晶发生转变；压缩断口形貌表明断口由均匀细小的圆形韧窝组成，表明其压缩破坏方式为韧性断裂。
　　生物相容性研究表明：多孔金属材料的粗糙表面以及内部的多孔结构有利于金属表面周围营养液的富集，使得细胞在生长过程中有充足的养分提供其生长，多孔金属材料有适合于细胞生长的环境，有利于细胞后续的生长；采用 WST-1方法对三种多孔金属材料进行细胞增殖实验研究，发现随着培养时间的延长，多孔钽逐渐表现出较强的促进细胞增殖的能力，当培养时间为7天时，多孔钽表面的光强度比多孔Ti6Al4V合金、多孔316L不锈刚表面的光强度高，进一步表明多孔钽试样表面的细胞增殖能力强于多孔Ti6Al4V和多孔316L不锈钢试样。

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第一章 绪 论

1.1 引 言

1.2 医用多孔金属材料的制备方法概述

1.3 医用多孔金属材料在制备过程中存在的主要问题

1.4 激光增材制造(3D打印)技术的引入

1.5 激光增材制造(3D打印)制备医用多孔金属的研究现状

1.6 创新程度

1.7 课题主要研究内容及意义

第二章 实验材料及方法

2.1 实验设备

2.2 实验材料

2.3 实验方法

2.4 检测方法

第三章 工艺参数对多孔金属孔隙结构及性能的影响

3.1 引 言

3.2 激光工艺参数对多孔金属孔隙结构的影响

3.3 激光工艺参数对多孔金属压缩性能的影响

3.4 制备过程中产生球化现象的原因及形成机理规律

3.5 本章小结

第四章 多孔金属的微观组织及演变规律

4.1 引 言

4.2 多孔金属微观组织

4.3 多孔金属微观组织演变规律研究

4.4 本章小结

第五章 多孔金属的生物相容性研究

5.1 引 言

5.2 成骨细胞贴附实验研究

5.3 成骨细胞增殖

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 下一阶段的工作建议

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著

致谢