由EBM和SLM制备的钛合金材料的安全性能评价
作者单位：中国食品药品检定研究院
学位级别：硕士
导师姓名：王春仁
授予年度：2017年
学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学]
摘 要：增材制造技术(Additive Manufacturing,AM)又称之为3D打印技术,作为一种快速成型技术,它的出现和日益成熟促进了个体化医用植入物的产生和商业化发展。这主要表现在:可以个性化定制医用植入材料,这为组织工程学中外科植入体的发展和优化提供了新的思路。但是,由于3D打印的技术现在发展的时间还很短,它的生产制造的工艺流程比传统的工艺方法有着革命性的变化,现有的科研条件和生产经验十分欠缺,产品的性能检验和评价领域没有一个统一的标准。这些问题给对3D打印的产品在上市前进行临床前的安全有效性评价带来了阻碍,同时也制约了这项技术的开发和应用。目前公认钛及钛合金作为外科植入物在其机械性能、耐腐蚀性能和生物安全性能等方面有着无可比拟的优越性,目前在临床上主要是用于骨科植入材料,特别是在修复承重部位骨或者关节缺损的问题上。本课题主要选用同一种国外进口Ti6Al4V的粉末,首先对打印之后回收的原材料的基本性能进行分析,判定原材料的差异性。然后,选择采用现在应用较多、发展较为成熟的电子束熔融(EBM)和选择性激光熔化(SLM)来制备相同设计结构多孔和致密钛合金试样作为研究对象,对它们的理化性能和生物安全性进行分析研究。本课题的第一部分主要是对于钛合金原材料粉末进行研究,主要对粉末的扫描电镜形貌进行观察,对其进行X射线衍射分析,此外,测定粉末的粒径分布范围和流动性,来对选用的钛合金粉末的质量进行评价。结果显示:由于制备工艺的不同,EBM工艺循环回收的粉末存在有结块的现象,使得粉末的外观形貌和粉末粒径存在有显著的差异。相比较而言,SLM所得到的粉末形貌更均一、流动性更好。两者的XRD不存在显著差异。本课题第二部分主要研究采用SLM和EBM技术制备的钛合金试样的物理性能,首先采用压汞的方法来测定多孔试样的孔隙率分布。结果表明:在靠近外侧的多孔结构,两者的孔隙结构和所设计的基本一致,孔隙率差别不是很大,在550%之间。之后对试样的微观组织形貌特征进行观察和分析,主要采用扫描电镜(SEM)和金相分析的方法。另外,对所制备的多孔试样的抗压强度进行简单测试。结果显示:由于制备工艺的不同,两者的微观结构存在有显著差异。EBM制备的试样中含有大量的呈现片层状或针状的α相,为典型的魏氏组织结构。而SLM制备的试样呈网篮结构,β相居多,为体心立方结构。SLM的抗压强度要比BEM的小得多。本课题第三部分主要研究采用SLM和EBM技术制备的钛合金试样的化学性能,主要是分析其各种元素含量,判定是否符合国家标准GB/T 3620.1-2007的相关要求。另外,还会对这两种方法所制备钛合金耐腐蚀性能进行定性测试分析。所测试结果显示:制备的两种试样所检测的一些基础元素和重金属元素含量基本符合标准。但具体含量略有差异。SLM的N含量稍微超出标准,可能会导致试样产生时效硬化的现象,对其性能有些许影响。两者的Cu元素均有所超出标准规定。这对于试样的安全性会产生不利影响,应对原材料的质量进行进一步优化。通过电化学腐蚀试验,得出结论:由SLM和EBM制备的钛合金的腐蚀性依旧表现良好,并未因为工艺的改变而发生变化。本课题第四部分主要研究采用SLM和EBM技术制备的钛合金试样的生物安全性能,通过细胞粘附实验来观察细胞粘附形态,可以发现细胞可以正常粘附在多孔试样的孔隙中,并且生长状况良好。这有利于植入后的骨长入和机械固定。通过细胞毒性检测和溶血性试验来探究试样的生物相容性。试验结果显示:通过SLM和EBM制备的多孔和致密的钛合金试样的细胞毒性为0级,两者均未表现出显著的溶血现象,但多孔试样的溶血率比致密实体试样的高一些。另外,选用传统工艺制备TC4钛合金作为对照,SLM打印制备的TC4作为样品,植入新西兰大白兔的股骨,来观察长期植入情况下,钛合金植入材料对于动物骨的影响和作用,进而来评价其生物相容性。观察组织病理切片,得到结论:无论是硬组织切片或者石蜡切片,对照和样品之间没有见到病理形态方面有显著差异。通过本次课题研究,探究了3D打印钛合金原材料粉末成分、形貌,粉末颗粒的粒径分布以及其流动性,之后又对采用SLM和EBM制备的试样的理化性能和生物相容性分析,为由3D打印钛合金医用植入物在体内的安全性提供了理论依据,这有助于将3D打印钛合金植入材料转化为上市产品,可以进一步促进3D打印技术在医用领域的发展和应用。
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