《MSEA》基于微挤压3D打印快速制造OPTS的力学性能

导读：本文探讨了基于微挤压的3D打印和无压微波烧结的五步快速制造医用铁质支架的技术。实验制作了两种具有相似支杆和孔径的不同孔形态结构并对其机械性能进行了评估。

由于有序孔拓扑硬组织支架（ordered pore topological scaffold，OPTS）的比强度高，抗冲击性能强等优势，在全球范围的需求剧增，其相互连接的有序孔排列适合于有利的生物营养交换和骨骼重建。OPTS被广泛进行研究使用的金属材料主要有镁，锌，和铁，其中铁及其合金具备更好的机械和生物兼容性而受到格外关注，且人体中铁降解的腐蚀产物不会对活细胞和整个生物体产生毒性作用。一些研究针对铁质OPTS的制造技术开发展开，但是普遍存在的问题是昂贵的3D打印设备和较长的工艺路线。因此，需要新的造OPTS制造工艺以简化工序，降低成本。

本文开发了基于微挤压的3D打印和无压微波烧结联合制造铁质OPTS的方法，通过设计微波烧结工序以改进微观结构，获得更好的机械性能，同时微波烧结可减少了处理时间。相关论文以题为“Mechanical behaviour of 3D printed ordered pore topological iron scaffold”发表在Materials Science& Engineering A上，对铁质OPTS的五步制作工艺进行了全面的介绍。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139293

OPTS新工艺路线主要包括五个制造步骤，图1代表了工艺路线图，这些步骤分别是：

（1）通过计算机辅助设计（CAD）创建3D模型；

（2）材料制备；

（3）使用基于微挤压的3D打印制造支架；

（4）无压微波烧结；

（5）烧结零件的后处理。

图1 工艺路线图

为评估本技术的可行性，设计了不同单元晶格的两个CAD模型，分别为立方体和六边形，并分别命名为基于立方的有序晶胞孔拓扑结构支架（C-OPTS）和基于六边形的有序晶胞孔拓扑结构支架（H-OPTS）。C-OPTS和H-OPTS的总体尺寸分别为22×22×22mm3和25×21×25mm3。

图2 C-OPTS支架和H-OPTS支架

图2为基于五步快速制造技术制成的C-OPTS支架和H-OPTS支架，根据ASTMB962-13标准测量烧结样品的密度，C-OPTS支架和H-OPTS支架的密度分别为5.43±0.31g/cm3和3.13±0.25g/cm3。在通用测试机上进行单轴压缩测试，压缩速率为1mm/min。图3显示了支架的压缩应力-应变图和实物变形，并根据标准对机械性能进行评估。

图3（a）压缩应力-应变曲线；（b）实物变形图

结果表明由于烧结前未施加压力，CIP中的扩散运动导致尺寸变化。从图3（b）可以推断出，支柱弯曲是其失效的主要原因。从图4可以看出，C-OPTS支架比H-OPTS支架具有更高的压缩机械性能。原因可能是由于孔隙率较低，导致支柱在破坏前发生了更大的塑性变形。同样，H-OPTS支架中具有大量容易产生应力的部位和锋利的边缘，这些可能是降低抗压强度的原因。但是，获得的孔隙率（分别为31％和60.22％）和杨氏模量（269.7MPa和370MPa），是现有支架中与人类松质骨孔隙度相仿的成品。

图4（a）抗压屈服强度；（b）抗压强度；（c）平面应力；（d）杨氏模量

该技术已经成功地制备了具有不同有序孔形态的铁质拓扑支架，并简化了工艺步骤，降低生产成本，提高了机械性能，而且在制造不同类型的孔形态方面具有灵活性。此外，XRD测试了样品纯度，证明其生物医学应用的兼容性，具有很大的潜力。（文：衣兮）