气动挤出沉积成型材料对人工牙槽骨结构与性能的影响.pdf

2 0 1 4年 5月 第4 2卷 第 9期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS Ma v 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 9 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 9 ． 0 2 3 气动挤 出沉积成型材料对人工牙槽骨结构 与性能的影 响 王鑫 ，周建平 ， 新疆大学机械工程学院， 张文祥 ，许 燕 新疆乌鲁木齐 8 3 0 0 4 7 摘要以气动挤出沉积多孔生物骨支架成型机作为成型设备，以海藻酸钠 S A与羟基磷灰石 H A P 作为成型材 料，制造出了最适宜骨组织细胞生长的孔隙率和良好的内部连通结构的人工牙槽骨模型，优选 了在快速成型过程中对牙槽 骨质量的影响因素，并测试了在不同海藻酸钠浓度成型、不同烧结温度后处理情况下人工牙槽骨的力学性能。结果表明 当海藻酸钠浓度为5 ％，与羟基磷灰石的配比为 l 1 ． 1时获得了良好的宏观外形与较优的微观孔隙结构，找到了羟基磷灰 石形成骨陶瓷的最佳温度为 1 2 0 0 o C。 关键词气动挤出沉积成型；组织工程；牙槽骨；羟基磷灰石 中图分类号T Q 1 7 4 ． 7 5 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 9 0 8 43 Pne uma t i c Ex t r us i o n De p o s i t i o n M o de l i ng M a t e r i a l s I m p a c t o n Ar t i fic i a l Al v e o l a r Bo ne S t r u c t ur e a nd Pr o pe r t i e s WANG Xi n，Z HOU J i a n p i n g ，Z HANG We n x i a n g ，XU Ya n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，X i i a n g U n i v e r s i t y ，U r u m q i X i i a n g 8 3 0 0 4 7，C h i n a Ab s t r a c t B y t h e p n e u ma t i c e x t r u s i o n d e p o s i t i o n p o r o u s b o n e s c a f f o l d r a p i d p r o t o t y p i n g ma c h i n e a s mo l d i n g e q u i p me n t ， w i t h S o d i u m a l g i n a t e S Aa n d h y d r o x y a p a t i t e H A P a s t h e m o l d i n g m a t e r i a l s ，t h e mo s t s u i t a b l e f o r b o n e t i s s u e c e l l g r o w t h p o r o s i t y a n d p e r f e c t c o mmu n i c a t i o n w i t h t h e i n t e r i o r s t ruc t u r e o f t h e a r t i fi c i a l a l v e o l a r mo d e l wa s p r o d u c e d ． T h e a l v e o l a r b o n e q u ali t y i mp a c t f a c t o r s i n t h e p r o c e s s o f r a p i d p r o t o t y p i n g we r e o p t i mi z e d i n s e l e c t i o n ， a n d t h e a r t i fi c i a l alv e o l ar b o n e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f mo l d i n g i n t h e t y p e o f a l g i n a t e c o n c e n t r a t i o n，d i ff e r e n t c a l c i n i n g t e mp e r a t u r e p o s t p r o c e s s i n g c a s e w a s t e s t e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t a g o o d s h a p e a n d o p t i mu m ma c r o mi c r o s c o p i c p o r e s t ruc t u r e i s g o t t e n wh e n t h e a l g i n a t e c o n c e n t r a t i o n o f 5 ％a n d t h e h y d r o x y a p a t i t e r a t i o o f 1 1 ． 1 ． a n d t h e b e s t t e mp e r a t u r e c e r a mi c h y d r o x y a p a t i t e b o n e f o r ma t i o n i s 1 2 0 0℃ ． Ke y wo r d s P n e u ma t i c p r e c i s i o n e x t ru s i o n d e p o s i t i o n mo d e l i n g；T i s s u e e n g i n e e r i n g；Al v e o l a r b o n e ； Hy d r o x y a p a t i t e 牙槽骨 是颌 骨包绕 牙 根 的部分 ，藉 牙周 膜 与牙 根 紧密 相连 ，牙 根所 在 的骨 窝称 牙槽 窝 。牙槽 骨 和 牙周膜 都有 支持和 固定牙 齿 的作 用 。 口腔 无牙 颌 患 者 牙 槽 骨 吸 收 的 修 复 治 疗 是 一 项 具 有 挑 战 性 的 难 题 。 快速成 型技 术 R a p i d P r o t o t y p i n g ，R P 与 组 织 工程技术的结合更适合于医学领域中修复体个性化设 计 ，可利用 C T及 MR I 等设备采集人体各部位的外形 数据 ，重建三维数字模 型 ，然后用快速成型设备制造 出复杂形状的修复实体。R P技术的高精度和高难度 的生物工程化预制优势使它成为解决医学修复难题的 有效手段 。本研究以气动挤出沉积多孔生物骨支架 成 型机制 备 了人 工 牙槽 骨 ，分 析 了在 快速 成 型过 程 中，各种因素对牙槽骨质量的影响，测试了在不同海 藻酸钠浓度成型 、不 同烧结温度后处理情况下人工 牙 槽骨的力学性能 。最终确定 了成型材料 的浓度 配 比与 人工牙槽骨 的最佳烧结 温度 。 1 实验 1 ． 1 原料与制备 原料 以粒径 1 2 m纯 度为 9 6 ％ 的羟基磷 灰石 H A P 为 溶 质 。 ， 自 行 配 置 浓 度 分 别 为 4 ％ 、 5 ％、6 ％的海藻酸钠 S A作为溶剂，将两者按其 质量比为 1 1 ． 1 充分搅拌使它们混合均匀 ，并不断震 动 消 除气 泡 。牙槽 骨 模 型 整体 尺 寸 为 8 m m 5 m m 4 m m，采用 自行研 制 的气 动挤 出沉 积 多孑 L 生 物 骨支架成型机作为成型设备。 具体制备步骤 首先选用 U G软件绘制 三维数 据 模型 ，并将模 型储存为 S T L格式文件 ，将配置的不 同海藻酸钠 S A的羟基磷灰石 H A P 浆料分别 加 入骨 支架 成 型机 中 ，将 S T L文件导 入 成型 机 的上 收 稿 日期 2 0 1 3 0 41 1 基 金项 目国家 自然科学基金项 目 8 1 0 6 0 0 8 8 作者简介王鑫 1 9 8 9 一 ，男，硕士，研究方向为数控系统与微机控制。E m a i l w a n g x i n 6 2 4 7 5 3 5 8 1 6 3 ． e o m。 第 9期 王鑫 等气动挤出沉积成型材料对人工牙槽骨结构与性能的影响 8 5 位机软件中，进行分层处理并生成最优路径算法， 按照优选参数设定，将分层数据的层 高设定为 0 ． 2 m m，挤出头 的直径设 定 为 0 ． 2 6 m m，挤 出时 的气 动 压力设定为0 ． 6 8 M P a ， Y 方向的运动速度设定为6 m m ／ s 。沉积材料选 择性 的在 压缩 空气 的作用 下从 喷 嘴喷 出形成每层的实体 ，逐层堆 积 ，直 至形成完 整的 生物骨支架 ，将得到的生物骨支架放入低温环境下干 燥 2 4 h 。对海藻酸钠含 量为 5 ％ 的生物 骨支架 进行 高温烧结，烧结温度为 1 2 0 0℃，升温速率为 3 0℃／ ra i n ，保温 3 0 m i n ，自然冷却。 2实验结果分析 2 ． 1 材料浓度对宏观结构的影响 气动挤 出沉积成型制造人工 牙槽 骨是一个 复杂的 工艺过程，工艺的参数比较多，其成型速度、气压大 小 、挤 出头 的直径 和成型材料的浓度配 比是成型精度 的主要参数。另外 ，数控系统的位置控制精度、三维 几何模型的处理、分层算法与路径算法的优化程度、 制造工艺等各种因素，都对成型产品的精度和强度有 一 定影响，在具体工艺参数控制中，须通过挤出速度 与扫描速度的匹配、控制环境温度参数等项措施，来 降低丝材的温度变化和低温干燥时的温度梯度 ，以减 少因材料收缩而引起 的精度误差 ，避免发生翘 曲变形 和剥离裂开等问题。研究通过控制成型材料浓度配 比 、扫描速度 、挤出速度与挤出丝 的直径 ，可以精确 地构造 出外轮廓和 内部 网架所要求 的微管直径 。如 图 1所示 a 左 b 中 c 右 图 1 人工牙槽骨模 型 由图 1 可以看 出 ，采用 6 ％海 藻酸钠 的混合成 型 材料 ，由于材料的黏度 比较大挤 出缓慢 、出丝困难而 难以形成连续的丝材，如图 1 C ；采用 4 ％海藻酸 钠的混合成型材料，由于材料 的黏度较低，在挤出 丝搭接过程中出现了塌陷现象，使层与层间的空隙消 失，如图 1 a 。而采用 5 ％海藻酸钠的混合成型材 料 时 ，孔 隙结构 明显 ，未 出现塌 陷的现象 ，未 出现挤 出断丝的情况 ，且 层与层 之间的粘结较好 ，表现出 良 好的成型件，如图 1 b 。 2 ． 2 人 工牙槽骨的收缩 变形 气动挤 出沉积成型人 工牙槽 骨所用的材料在成型 过程 中会 发生一次相变过程 ，在干燥 过程 中材料的收 缩变化直接影响到成型件 的精度 ，所 以本实验采用低 温冷冻干燥 ，尽量降低了收缩率与因收缩而产生的扭 曲变形。成型时填充方向上的收缩量的计算公式为 A L 1 1 A ／ 2 △ 成型时堆积方 向 即 z轴 方 向 的收 缩量 查 询 有关 资料按 0 ． 7 6 ，所 以收缩量 为 A L 2 2 A ／ 2 A t 式中 6 为材料水平方 向的收缩率 ； 6 ， 为材料垂直方向的收缩率； 为材料实 际长度 ； △为制件的公差 按留有加工余量进行取大补 偿 ； △ 为温差 ， ℃ ； 为实际零件尺寸 的收缩 受零件形 状 、网格 画 分的方式以及每层成型时间长短等因素单独或交互的 制约，经实验估算 为0 ． 3 。 经试验测得成型件的实际收缩率为 0 ． 9 ，针对以 上影 响精 度 的变形 影 响采 用 了 C A D造型 阶段 的预先 尺寸补偿 ，对 于 填充 方 向 即 X ／ Y方 向对其 增 加 △ L ． 的补偿量 ；而堆积 方 向 即 z 向增 加 A L 的补偿 量。通过此种校正方法以便将其变形影响降到最低限 度。 2 ． 3 人工牙槽骨的微观孔结构 良好的人工牙槽骨微观孔结构对发挥最大成骨效 能起着关键 性 因素 ，微 观孔结 构 主要 包括 孔 径 的大 小 、孔 间联通程度 、孔隙率等 ，基于骨生长与骨传导 的角度一般认 为孔 径在3 0 0～ 6 0 0 m之间时 具有最 优成骨诱导性能 。图2 a 是人工牙槽骨模型 5 0 倍的微观结构，孔间尺寸在 4 0 0 5 0 m，且具有 较高的连通性与一致性，且层与层之间结合良好 ，有 1 0 0 2 0 m 的重 叠。 图 2 b 是成 型 后挤 出丝 上 6 0 0倍的微观结构 ，可以发现挤出丝上有许多微米 级 的小孔 ，这对生物 因予 的运输 、细胞 的黏附和迁移 等有重要影响，有助与改善牙槽骨的微观生物环境。 采用阿基米德法 测得人工牙槽骨的孔隙率为5 5 ％ ～ 7 0％