选择性激光烧结制备磷酸三钙人工骨支架的研究

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中图分类号理!笪UDC62l硕士学位论文学校代码!Q§三三密级公珏选择性激光烧结制备磷酸三钙人工骨支架的研究StudyonpreparationofTCPscaffoldviaselectivelasersintering作者姓名：学科专业：研究方向：学院(系、所)：指导教师：副指导教师：论文答辩日期型至：苎：缒庄静宇机械工程机械电子工程机电工程学院刘德福教授帅词俊教授答辩委员会主席虬中南大学二。一三年五月 原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：童蛰主日期：呈![墨年』月1日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：趣宝导师签名型i爱骗期：埘年—厶月工日 选择性激光烧结制备磷酸三钙人工骨支架的研究摘要：在选择性激光烧结磷酸三钙(TCP)人工骨支架过程中，烧结温度通常高于p-TCP向o【一TCP相转变温度(11800C)，导致制备的人工骨支架中存在大量高温相Q—TCP，影响支架应用性能。降低烧结温度可以减少Q—TCP的生成，而引入液相是降低烧结温度的有效方法。本论文提出通过引入左旋聚乳酸(PLLA)的瞬态液相促进磷酸三钙颗粒重排、降低烧结温度、抑制相转变，制备具有三维多孔结构、机械性能和生物相容性良好的可降解的多孔磷酸三钙人工骨支架。同时引入的PLLA能在激光照射下逐渐的分解直至完全消失。总结本论文的研究工作，主要包括如下成果与结论：1．利用选择性激光烧结系统制备了多孔磷酸三钙人工骨支架。研究了激光能量密度和瞬态液相引入量(PLLA添加含量)对磷酸三钙人工骨支架微观结构的影响。2．研究了引入瞬态液相对磷酸三钙人工骨支架机械性能的影响规律。对比于p-TCP粉末，含有I％PLLA混合粉末烧结支架的断裂韧性提高了18．18％；压缩强度提高了4．45％。3．通过体外模拟体液实验研究了磷酸三钙人工骨支架的生物降解性和生物活性。查明了降解条件下支架表面结晶层微观结构演变及成份变化规律。4．利用选择性腐蚀工艺结合细胞粘附实验，研究了不同支架表面结构下的细胞粘附形态演变规律及人工骨支架生物相容性。图33幅，表7个，参考文献94篇关键词：选择性激光烧结；瞬态液相；磷酸三钙；左旋聚乳酸；人工骨支架分类号：THl64；Q819 StudyonpreparationofTCPscaffoldviaselectivelasersinteringAbstract：InSLSof13-TCP,sinteringtemperatureisusuallyhightoachievedensificationintheveryshortsintefingtime．Thus，thesinteringtemperatureisnormallymuchhigherthanthephasetransitiontemperatureofp—toⅡ一TCP(about180。C)，resultinginalargeamountofu—TCPinthepreparedscaffold．IntroducingliquidphaseisageneralapproachtodecreasethesinteringtemperatureofceramicwhichwillinhibitthephasetransformationfromD—toQ—TCEInthisstudy,asmallamount(1讯％)ofpoly(L—lacticacid)(PLLA)isaddedinto[3-TCPpowdertofacilitateTCPparticlesrearrangementbyintroducingthetransientliquidphaseofmeltingPLLAinSLS．Moreover,thesmallamountPLLAwillgraduallydecomposeandcompletelydisappearwithlaserirradiation．TCPscaffoldswithinterconnectedporousstructurearefabricatedusingthismethod．Themainresearchandinnovationsinthepaperareshownasfollows：1．TCPscaffoldswithinterconnectedporousstructurearefabricatedviaselectivelasersintering(SLS)．StudiesarecarriedoutontheinfluenceoflaserenergydensityandPLLAadditioncontentonthemicrostructureofTCPscaffolds．2．InfluenceofsinteringparametersonthemechanicalofTCPscaffoldsisinvestigated．Thefracturetoughnessofthescaffoldpreparedwithmixturepowdercontaininglwt％PLLAincreasesby18．18％andthecompressivestrengthincreasesby4．45％comparedtothescaffoldpreparedfrom13-TCPpowder．3．ThebioactivityanddegradabilityoftheTCPscaffoldareevaluatedthroughthesimulatedbodyfluid(SBF)cultivationexperiment．Theformationofacarbonateapatitelayeronthesurfaceafterimmersionisdemonstrated．4．Scaffoldswithdifferentsurfacestructurearefabricatedbychemicalselectiveetching．T11rou曲thecelladhesionexperiment，theeffectsofsurfacestructureonbiocompatibilityofscaffoldsareresearched．Theetchedsurfaceofscaffoldwith40％13-TCPshowsthebestcelladhesion．whichistrebleof纺escaffoldwith10％13-TCP．III Figures：33，Tables：7，References：94Keywords：SLS；transientliquidphase；TCP；PLLA；scaffoldClassification：TH164；Q819 目录原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I摘宴耍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯IIEj录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Vl绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l1．1选择性激光烧结技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．1．1选择性激光烧结原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．1．2选择性激光烧结特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21．1．3选择性激光烧结发展及应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21．2多孔磷酸三钙人工骨支架⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一41．2．1磷酸三钙的结构与应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一41．2．2磷酸三钙的制备方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．41．2．3多孔磷酸三钙人工骨支架及其制备方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51．3选择性激光烧结多孔磷酸三钙人工骨支架⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．71．3．1选择性激光烧结磷酸三钙的烧结过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．71．3．2选择性激光烧结磷酸三钙的机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．71．4选择性激光烧结磷酸三钙支架的问题及发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．81．5本课题研究内容与创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．91．5．1研究思路与创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．91．5．2研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯102引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．122．1选择性激光烧结系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯122．1．1烧结硬件组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯122．1．2烧结控制模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯132．1．3工艺流程控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯152．2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯162。2．1磷酸三钙／PLLA混合粉末⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯162．2．2多孔磷酸三钙人工骨支架的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯172．3磷酸三钙人工骨支架微观结构测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯182．4工艺参数对磷酸三钙人工骨支架微观结构的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19V 2．4．1激光能量密度对人工骨支架微观结构的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯192．4．2PLLA含量对人工骨支架微观结构的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．262．5引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架的机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯302．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯313引入瞬态液相对人工骨支架性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．323．1引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架的机械性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯323．1．1磷酸三钙人工骨支架机械性能测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯323．1．2磷酸三钙人工骨支架压缩强度及断裂韧性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯333．2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架的生物学性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯353．2．1磷酸三钙人工骨支架生物学性能测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯353．2．2磷酸三钙人工骨支架生物活性及生物降解性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯363．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯414表面结构对人工骨支架生物相容性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．434．1人工骨支架表面结构测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯434．1．1人工骨支架表面结构加工方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯434．1．2人工骨支架表面结构测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯434．1．3人工骨支架表面结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯444．2表面结构对人工骨支架生物相容性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯474．2．1骨细胞粘附体外实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯474．2．2表面结构对细胞粘附的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯484．3本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯495全文总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l5．1全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l5．2研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53攻读硕士期间主要的研究成果目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．61致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63VI 硕士学位论文1绪论骨组织工程人工骨支架的制备是生物医学工程重要研究课题之一。利用选择性激光烧结技术可以精确控制人工骨支架的孔隙结构。为抑制激光烧结过程中磷酸三钙的相转变，提出引入瞬态液相提高烧结性能，降低烧结温度，制备具有良好应用性能的多孔磷酸三钙人工骨支架的方法。1．1选择性激光烧结技术1．1．1选择性激光烧结原理选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering，SLS)是一种利用激光作为能量源烧结粉末材料1jn-r成形的快速成型技术(RapidPrototyping，RP)[1lo它集成了计算机辅助设计／制造(CAD／CAM)技术、数控技术、激光技术和材料科学等先进技术，可以在不使用任何工装模具的条件下快速制造任意复杂结构的实体模型和产品【2】【31。SLS技术运用离散堆积原理，将实体零件的三维模型通过网格化处理获得二维轮廓信息，然后利用激光加热粉末材料使其层层烧结堆积，最终实现零件成形[4】[51。CAD模型上模型离散化分层上层面信息处理1LI层面sLs烧结上I全部加工完毕土后处理(a)SLS工艺过程铺粉(b)烧结过程示意图图卜I选择性激光烧结：(a)工艺过程(b)烧结过程示意 硕士学位论文1绪论SLS基本工艺过程包括CAD模型设计、数据处理、铺粉、烧结及后处理等，如图1．1所示。首先，在计算机上设计出试件的CAD模型，并转化成STL文件。再对STL文件进行横截面切片处理，生成激光加工路径。加工时，通过铺粉装置将金属、陶瓷等粉末材料均匀铺于加工平台上，在计算机的控制下激光光束以设定的扫描速度、激光功率、扫描路径等参数对粉末材料进行有选择的扫描。激光扫描处的粉末吸收能量烧结形成一定厚度的致密层，而未辐射区域的粉末仍保持松散状并作为成型件的支撑。每一层切片路径加工完成后，加工平台相应的下降一个烧结层的厚度，等待完成再次铺粉后，开始下一层的烧结。新的烧结层会和上一层粘结为一体，如此反复直至所有工序完成。所有扫描步骤结束后，移除烧结试件周围未烧结的粉末即可得到制成零件。1．1．2选择性激光烧结特点选择性激光烧结技术是当前发展迅速应用广泛的快速原型制造技术之一。相对于常规制造技术而言，选择性激光烧结技术具有一系列优点，归纳起来主要有以下几点：(1)成形材料范围广。理论上受热后材料原子之间可以形成联接的粉末材料都可作为加工原料161。目前，已被开发运用于SLS的材料包括陶瓷粉末、金属粉末、有机高分子聚合物及它们的复合材料等。(2)制备过程与工件结构复杂程度无关。理论上SLS可以制备任意复杂结构的工件，是真正的自由制造[7】。通过调节烧结工艺参数如激光能量密度、扑粉厚度及预热温度等可以控制制件的微观结构。(3)工艺相对简单。加工过程中没有的烧结粉末对已烧结部分起支撑作用，不需要另外的支撑辅助设备，可以一次性完成工件的制造。(4)成型高精度。参考于使用材料的种类、产品复杂程度等，最高可以达到制件整体结构土O．05mm的公差。粉末颗粒粒度低于100山'n时，成型精度可达至J]-+-1％t剐。(5)材料高利用率。没有烧结的粉末可循环利用，减少了材料浪费，可以控制成本。(6)生产周期短。从加工工件设计到烧结完成所需时间短，加工流程实现数字化，可实时修改调整制造过程。1．1．3选择性激光烧结发展及应用SLS的概念最早由德克萨斯大学的Deckard在1989年提出【9】o其后美国的DTM公司研究出基于SLS技术的Sinterstation系列商业化成型系统，并开发出2 硕士学位论文1绪论多种烧结粉末材料，可以直接制造石蜡及金属零件【Ⅻ。由于在产品开发、模具生产、个性化产品定制等方面均展示出广阔的发展前景，SLS技术在二十年的时间内得到了快速的发展，成为应用最广泛的制造技术之一【l¨。国内外的研究人员在SLS技术的烧结机理、动态仿真、工艺探索、设备开发及新材料应用等方面展开了大量工作，成果显著。SLS技术已从开始的制造设计概念迅速向最终产品模型的快速制造、金属材料零件制造，功能材料制备、微型机械制造、骨组织工程支架制备等领域发展，成为发展最成熟的RP技术之一u21。SLS技术的主要应用表现在以下领域：(1)新产品造型的快速制造。SLS技术为工业产品设计提供了崭新的开发模式，能够精确、快速的将设计概念转化为实体制件，降低了制造成本，减短了整个开发流程。快速的样品模型制造可以迅速、经济的对产品进行性能测试、评估和验证分析，这是传统制造技术难以实现的。(2)机械零件制造领域。由于SLS技术不需要模具，在机械零件制造领域多用于制造小批量、个性化的复杂结构金属工件的生产。其制造成本低和制作周期短的特点非常适合于品种多、灵活性高的现代制造模式。(3)生物医学工程领域。近年来，SLS技术在生物医学工程领域特别是骨组织工程支架制备领域的研究应用开展较多。由于人体骨骼和内部器官具有极其复杂的内部组织结构，为了真实的复制缺损骨组织的器官构造反映病变特征，利用SLS技术制备骨组织工程支架成为重要而有效的途经【I州。国内外学者运用SLS技术，在骨组织工程人工骨支架制备方面已取得了瞩目的研究成果。美国德克萨斯大学的Lee等【14】采用SLS技术对聚合物PCL粉末进行烧结，制备出磷酸钙骨移植支架，并成功的将支架移植到动物体内。美国德克萨斯大学的N．K．Vail等[15】对SLS工艺制备人工骨支架进行了探索，利用SLS工艺将nBMA，KCL，MMA等粘结剂和骨质粉末材料制成具有不同孔隙率的支架；在移植到狗下颚骨后，支架显示出良好的生物相容性。香港大学的S．H．LEE[16】和B．D1lan【17】利用选择性激光烧结技术分别制得了PLLA人工骨及PHBV／Ca-P复合支架，并探讨了烧结参数与人工骨性能之间的关联关系。新加坡南洋理工大学K．H．Tan等【181利用SLS技术烧结质量比为7：3的聚合物／HAP的骨组织工程复合材料支架，实验表明可以通过控制工艺参数来实现支架孔隙率的调节。 硕士学位论文1绪论1．2多孔磷酸三钙人工骨支架1．2．1磷酸三钙的结构与应用研究和寻找理想的骨组织替代材料用于修复各种原因导致的骨组织缺损，是生物医学和生物材料科学领域一项重要研究领域【l91。磷酸钙生物陶瓷具有优异的生物相容性，对人体无毒副作用，作为骨植入材料得到越来越多的重视【201。目前获得广泛应用的磷酸钙陶瓷材料主要包括磷酸三钙(TricalciumPhophate，TCP)和羟基磷灰石(hydroxyapatite，HAP)，其中具有优秀生物学性能的13-TCP特别引人关注【2¨。磷酸三钙的化学分子式为Ca3(P04)2，Ca／P摩尔比与正常人体骨相似(1．5)，具有良好的生物相容性、生物降解性和生物无毒性，植入体内后能与周围的骨组织形成稳定结合，是组织工程领域中常用的细胞外基质材料【22l。体液中TCP的溶解度要高于HAP，在降解过程中TCP能够为新骨组织的生长提供更多Ca、P，促进新骨组织生成123]．根据TCP结晶相的不同分为低温相p-TCP和高温相(It．TCP‘24]。IB-TCP为三方晶系，晶格常数a=1．03nm，c=3．69nm，理论密度为3．079／cm3；oI．TCP为单斜晶系，品格常数a--1．29rim，b=2．73nm，c=3．69nm，13=12．66nm，理论密度为2．869／cm3[251。IB-TCP在l180。C时发生相转变，生成c【一TCP【26】。在骨组织工程中磷酸三钙人工骨支架以[3-TCP运用居多。由于其上述的优良性能，以磷酸三钙为基料的各种骨组织工程支架制备成为生物陶瓷研究的活跃领域。日本名古屋大学的Boo等【271采用组织工程技术成功构建磷酸钙骨组织支架，并证实TCP良好的生物降解性，较HAP等材料更适于骨组织工程应用。德国基尔大学的Wiltfang等[28】将磷酸三钙陶瓷颗粒植入小猪胫骨骨缺损处进行观察，结果表明p-TCP可完全降解并转化为新生骨组织。荷兰阿姆斯特丹自由大学的Klein等【29】将四种不同孔隙率和孔径TCP材料植入兔肋骨内，发现TCP展现出良好的生物相容性：材料植入后仅发现成纤维细胞、巨噬细胞等参与了TCP降解，无炎症反应发生。韩国首尔国立大学的Lee等【30】将TCP和壳聚糖混合制备海绵状材料，植入鼠颅骨内修复骨缺损，获得令人满意的治疗效果。磷酸三钙生物陶瓷在骨组织工程领域具有良好的应用前景，本论文结合选择性激光烧结工艺特点和生物陶瓷材料特性，选用磷酸三钙作为骨组织工程多孔人工骨支架的制造原料粉末。1．2．2磷酸三钙的制备方法磷酸三钙粉末的制备主要湿法工艺、直接沉淀工艺、干法工艺和醇化合物法4 硕士学位论文1绪论工艺【孔J，各种工艺的特点如下：(1)湿法工艺湿法是通过溶液反应制备TCP，可制得无定型或晶粒细小的粉末，是获得13-TCP粉末较为理想的方法之一，被广泛使用。湿法工艺一般采用(NI-102HP04和C《N03)2为原料，将Ca(N03)2溶液按合适的添加速度滴II至1(NH4)2HP04溶液并不断搅拌，溶液的pH值(12)由氨水调节。所得沉淀物经陈化、洗涤过滤、煅烧后获得B-TCP粉末。合成反应式为：2NI-140H+2(NI-h)2HP04+3Ca(N03)-2=6NItaN03+2H20+ca3(P04)2(2)直接沉淀法直接沉淀法以H3P04和Ca(OH)2为原料，将磷酸合适的速度添加到Ca(OH)2的乳浊液中，等均匀化扩散后沉淀后进行过滤。沉淀物直接干燥后烧结获得13-TCP粉末。该工艺反应易于进行，成本较低，但是为，反应中生成的CaI-IP04容易将其CaC03等难溶物质包裹，导致反应不完全，沉淀过滤性差。(3)干法工艺干法工艺即在温度高于900。C的条件下，以CaHPO。·2I-120和Ca(OH)2或CaC03为原料，无水固相反应制备]B-TCP粉末。干法工艺的合成反应式为：2CaHP04‘2H20+CaC03=Ca3(P04)2+5H20+C02该方法制备的[3-TCP粉末晶体结构稳定，结晶度高，但晶粒粒度大，组成不均匀，有杂质存在。(3)醇化合物法采用脂类化合物均匀混合于特定的有机溶液中，加入醋酸等组分，在一定温度下反应形成凝胶，最后烘干处理制备获得TCP粉末。有学者采用乙二醇化合物和P。O。的丁醇溶液作为先驱体，引入醋酸控制前驱体连接反应避免产生沉淀。将混合溶液蒸发干燥，并进行高温煅烧后可得13-TCP粉末。该制备方法的缺点是成本相对比较高。1．2．3多孔磷酸三钙人工骨支架及其制备方法理想的骨组织工程人工骨支架需具有较高的孔隙率和三维贯通的孔隙结构【321。人工骨支架的多孔结构可以增大材料的比表面积，有利于植入后支架与宿主骨组织、血管的接触；有利于界面结合，提高支架的骨传导性、骨诱导性和生物降解性能【331。三维贯穿的孔隙结构使得骨组织长入支架内部后，可以形成机械性锁结，改善支架力学性能，同时有利于组织营养的供给p4]【351。目前，多孔磷酸三钙人工骨支架的制备方法繁多，成型工艺的不同极大的影响制件的微观孔隙结构，进而影响支架的应用性能【36】。传统制备多孔磷酸三钙人工骨支架的工 硕士学位论文1绪论艺方法主要包括：化学发泡法、添加造孔剂法、泡沫浸渍法、微球堆积法和注凝成型法等1371。(1)化学发泡法发泡法是将TCP粉末与粘结剂按设定的比例混合，研磨细化粉末颗粒后制得浆料。浆料与发泡剂均匀混合后，在设定温度下加热发泡处理，然后经烧结制各多孔陶瓷支架。该方法制备支架孔的结构和大小难以控制，孔与孔之间连通性差。(2)添加造孔剂法此方法通过在TCP陶瓷粉末中加入有机物致孔剂，利用致孔剂在高温下可完全分解的特点，在陶瓷烧结体内留下孔洞。支架烧结需要在模具中成型，经脱模、干燥、烧结，即制备出多孔TCP支架。该方法制备的支架孔隙形态、大小均与使用的致孔剂材料特性有关，可以实现一定的人为控制，但是孔隙分布不均匀，孔隙连通性不好。(3)泡沫浸渍法有机泡沫浸渍法利用经过预处理的有机泡沫浸渍在TCP浆料中，反复挤压直至达到厚度要求，干燥烧结制得TCP陶瓷支架。该工艺操作相对简单，能够制备具有较高孔隙率的支架。但在烧结过程中陶瓷材料会发生收缩，容易造成裂纹和壁中孔隙的产生，这会使得支架的机械性能严重降低，且裂纹越多支架性能越差。(4)微球堆积法微球堆积法采用壳聚糖球状颗粒作为造孔剂。在准备好的模具中将壳聚糖紧凑堆积形成多孔结构框架，再注入TCP浆料填满空隙。干燥后将有机模具及壳聚糖烧掉，制得球形孔结构支架。制得支架胚体可以拥有较高的孔隙率和强度，但干燥条件苛刻，工艺自动化程度低，效率不高。(5)注凝成型法注凝成型法是在TCP悬浮溶液中添加乙烯基单体，使用启动剂和催化剂通过自由基反应促使乙烯基发生交联并完成固化。此方法对原料要求很高，工艺条件难以控制。上述传统制备方法可以制备高孔隙率的磷酸三钙人工骨支架，但其难以制备符合孔率可控性，三维连通，大孔-／J、孔一微孔合理分布，孔隙形状要求的骨组织人工骨支架【38】。同时，现代骨组织工程的发展对人工骨支架的机械性能、复杂外形匹配及生物学性能提出了更高的要求。解决此类问题对多孔磷酸三钙人工骨支架的研究和应用具有极其重要的意义。利用选择性激光烧结技术制备多孔磷酸三钙人工骨支架可以获得具有三维多孔结构的人工骨支架，支架的外观及结构可6 硕士学位论文1绪论以满足任意要求，为骨组织工程骨修复提供了一条有效的解决途Nt39j。1．3选择性激光烧结多孔磷酸三钙人工骨支架1．3．1选择性激光烧结磷酸三钙的烧结过程粉末烧结是粉末颗粒之间从物理结合状态转变为化学结合状态的过程，是一个高能状态向低能状态转变的热力学不可逆过程。由于粉末颗粒的表面能大于烧结致密体的晶界能，其自由能的降级趋势即为粉末材料烧结过程的驱动力。烧结进行的主要驱动力主要为粉末颗粒表面能产生的表面应力[40t，可由公式(1一1)计算。p：型(1-1)，．其中P为表面应力，，．为颗粒表面曲率半径，v为表面激活能。陶瓷粉末烧结中是物质的迁移来完成致密化，其迁移方式主要是扩散和流动【411。磷酸三钙粉末颗粒颗粒在驱动力作用下，本身及晶格点阵原子、晶格点阵空位和晶粒等通过扩散、流动或者滑移相互接触聚合，从而实现烧结【421。整个烧结过程可分为以下几个阶段：(1)颗粒间接触。在烧结开始阶段，粉末颗粒之间由于原子扩散发生连结，颗粒间形成烧结颈。此阶段烧结件尺寸无明显变化，但强度会有大幅提高。(2)烧结颈长大。连结颗粒间发生物质迁移，但烧结件孔隙数量和体积均未减少。(3)孔隙封闭。烧结颈继续长大，导致原来粉末颗粒问连通的孔隙通道封闭形成孤立密闭的孔洞。(4)孔隙球化。当物质从孔隙表面迁移到烧结颈时，孔隙就开始球化。在适当的烧结条件下(温度、时间)，孔隙完全球化。(5)孔隙收缩。由于孔隙周围物质迁移和气体的排除，烧结件体积收缩实现烧结致密化。而流动方式只能在有液相形成的条件下才能发生，这是液相烧结实现致密化的有效手段之一【43】。1．3．2选择性激光烧结磷酸三钙的机理选择性激光烧结磷酸三钙过程中，粉末颗粒表面吸收激光能量，通过激光光子与粉末颗粒原子之间的碰撞，将激光能量瞬间转化为热能，并以材料温度升高的形式展现出来。激光照射到粉末内部的强度随材料厚度的增加而呈现几何级数下降，因此粉末内部是通过传导的方式加热，主要通过扩散传质来实现烧结致密7 硕士学位论文1绪论化1441。烧结过程中，扩散传质沿粉末颗粒界面、颗粒表面及晶粒内部进行，分别称为界面扩散、表面扩散和体积扩散【451。无论哪种方式，扩散传质最终结束于烧结颈部。当晶格内原子移至烧结颈部，其原来的位置成为空缺，品格内其它原子将要补充这个出现的空位，这样便不断的向内传质而空缺向外转移。在扩散传质中，空缺最终在以下三个地方消失：内界面、自由表面和位错14引。随着烧结进行，烧结颈部出现了颗粒中心距的拉近和空缺的缩小，宏观上分别表现为烧结体的收缩和孔隙率的下降。其烧结程度(速率)可以由颈部生长速率x／r来衡量，公式(1．2)为烧结扩散传质动力学公式1471：二=心3巧∥(1—2)r其中x为颗粒颈部半径，f为烧结时间，，-为颗粒半径；K为烧结速率常数，与界面张力扎扩散系数D’成正比，当温度为某一确定值时，y、D+均为常数，且温度越高数值越大。选择性激光烧结磷酸三钙的烧结时间很短，在粉末粒度不变的条件下，温度对烧结有决定性的作用。由于激光束是移动热源，它与粉末的作用时间很短，通常为几毫秒到几十毫秒，为了实现快速烧结，需要较高的烧结温度使颗粒获得足够的表面能，增强烧结颈部界面张力，提高扩散速度。1．4选择性激光烧结磷酸三钙支架的问题及发展趋势选择性激光烧结磷酸三钙为制备具有三维多孔骨组织工程人工骨支架提供了一条可行的途经。然而激光烧结磷酸三钙过程中，激光作用时问很短，13-TCP粉末颗粒需要获得较高的表面能，从而以较快的速度完成烧结致密化。这就使得烧结温度很高，通常高于TCP相转变温度(1180。C[48】)，导致制备支架中存在大量的Ⅱ一TCP，降低了支架的生物学性能；此外，由于q．TCP密度低于13-TCP，相转变将使得烧结件产生体积膨胀，导致支架内部产生裂纹，最终影响其机械性能1491。因此，如何在烧结过程中抑制TCP相转变成为选择性激光烧结磷酸三钙人工骨支架的一项重要研究课题。为了抑制TCP相转变，提高13-TCP烧结性能，各国学者进行了各种尝试。通常有两种途经实现TCP相转变的抑制：提高TCP的相转变温度和降低TCP的烧结温度。目前，大多数学者选择对磷酸三钙支架进行掺杂处理，在13-TCP粉末中添加多种金属氧化物、金属碳酸盐及焦磷酸盐来提高TCP相转变温度，使得TCP可以在更高温度下烧结。美国加州大学的X．Zhang掣50】在IB-TCP粉末中添加3％MgO，在TCP的相转变温度以上烧结时未发现有G【．TCP生成。韩国首 硕士学位论文1绪论尔国立大学的H．S．Ryu等【5l】通过添加0．5．3wt％的焦磷酸钙将13-TCP烧结温度提高500C左右。美国华盛顿州立大学的Bandyopadhyay等L52]将ZnO与[3-TCP混合在12500C烧结，提高了p-TCP的烧结强度。日本上智大学的K．Itatani等p3J通过添加Fe离子增强[3-TCP烧结性能，实验表明添加10m01％Fe203后13-TCP烧结陶瓷的相对密度达到98．7％。13-TCP陶瓷掺杂虽然在抑制TCP相转变方面效果显著，但由于添加的金属元素或其他无机生物材料在烧结过程中会与p-TCP发生化学反应或引入其他物相，影响制备人工骨支架的生物学性能[541，限制了其在组织工程中的进一步推广。另一方面，引入液相是一个普遍的方法用于降低陶瓷的烧结温度【5引。在传统工艺生物陶瓷烧结研究中，部分学者通过将聚合物粘结剂与生物陶瓷粉末混合后烧结，利用熔融粘结剂产生的液相促进陶瓷材料的颗粒重排和致密化【56J157]。英国帝国理工大学的Q．Z．Chen等【53】利用聚合物在400。C产生液相，并在1000。C完成45S5生物玻璃支架的烧结。瑞士巴塞尔大学的F．C．Fierz等【59J利用3D打印技术制备HAP支架，其聚合物粘结剂在4500C保温烧尽。上海大学的L．Lin等[601使用环氧尼龙作为粘结材料与13-TCP混合，环氧尼龙在6000C熔融包裹pTCP颗粒促进烧结，使得13-TCP在1100。C实现致密化烧结。针对选择性激光烧结的特点，本研究提出：将少量PLLA添加到[3-TCP粉末中，在激光烧结过程中引入一个短时间内存在的液相(瞬态液相)。在烧结开始阶段，引入的液相可以湿润13-TCP颗粒表面，加速颗粒重构；随后，聚合物在激光照射下逐渐分解直至完全消失，引入的液相也随即消失。通过引入瞬态液相增强磷酸三钙烧结性能，降低烧结温度，从而抑制TCP相转变，改善选择性激光烧结磷酸三钙人工骨支架的机械和生物学性能。1．5本课题研究内容与创新点1．5．1研究思路与创新点本论文以骨组织工程和选择性激光烧结技术为基础，采用p．磷酸三钙为原材料，针对SLS过程中烧结温度过高导致TCP相转变等问题，通过引入瞬态液相降低烧结温度、抑制相转变，制备具有三维多孔结构的磷酸三钙人工骨支架。通过调节激光能量密度及瞬态液相引入量获得最优的人工骨支架机械性能。通过体外模拟体液浸泡实验研究人工骨支架的生物降解性和生物活性，并对降解条件下表面类骨碳酸磷酸层微观结构演变及成份变化进行分析。另外，利用选择性腐蚀工艺结合细胞粘附实验，研究不同表面结构下的细胞粘附形态演变规律及人工骨支架生物相容性。整体研究思路如图l-2所示。9 硕士学位论文1绪论r-t豁鬻人}--]'L土上}I激光能量密度I瞬态液相引入量I|模拟体液实验I细胞粘附实验l＼／、∑／＼／1_l-，l机械性能lI生物学性能l制备：实验：性能评价图1-2研究思路示意图1．5．2研究内容根据既定研究思路，确定如下的研究内容：第一章：简述选择性激光烧结技术原理及工艺特点，总结磷酸三钙陶瓷粉末和多孔人工骨支架的制造方法，重点讨论了选择性激光烧结多孔磷酸三钙人工骨支架的烧结过程及机理。为抑制烧结过程中TCP相转变，提出引入瞬态液相烧结磷酸三钙人工骨，提高磷酸三钙烧绔眭能，降低烧结温度，制备具有良好机械及生物学性能的多孔磷酸三钙人工骨支架的方法。同时确定本论文的研究内容和创新点，为论文提供适合的研究思路。第二章：概述研究使用的选择性激光烧结系统的体系结构和烧结工艺流程。基于此烧结系统制备多孔磷酸三钙人工骨支架，并详细研究了引入液相烧结磷酸三钙人工骨支架烧结工艺。采用现代测试方法(SEM、EDX、XRD和FT-IR等)对不同工艺参数下引入液相烧结磷酸三钙支架的微观结构进行测试表征，获取工艺参数与人工骨支架烧结性能的关联规律。第三章：采用万能机械性能测试仪和显微硬度计对引入瞬态液相烧结磷酸三钙人工骨支架的机械性能进行检测和分析，探讨支架机械性能随烧结工艺参数变化规律及机理。并采用体外模拟体液(Simulatedbodyfluid，SBF)实验测定人工骨支架在模拟生物环境中的生物降解性和生物活性，对支架表面在模拟生理体液中生成的矿物层微观结构变化和成份变化进行分析。第四章：研究了人工骨支架不同表面结构下的生物相容性，探讨了选择性腐蚀工艺与支架表面结构变化规律和表面结构与支架细胞粘附性能的关联机理。利lO 硕士学位论文1绪论用表面轮廓仪对人工骨支架的表面结构进行高精度结构测量。利用细胞粘附实验证实表面结构对支架的生物相容性具有重要影响，为优化烧结工艺，制备具有良好生物学性能的磷酸三钙人工骨支架提供辅导。第五章：全文总结与展望。 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架本章主要介绍实验室开发的选择性激光烧结系统的体系结构、硬件组成和工艺控制流程。基于此烧结系统制备多孔磷酸三钙人工骨支架，并详细研究了引入液相制备磷酸三钙人工骨支架成型工艺。采用现代测试方法对不同工艺参数下引入液相烧结磷酸三钙人工骨支架的微观结构进行测试表征，获取工艺参数与支架烧结性能的关联规律。21选择性激光烧结系统2．1．1烧结硬件组成本研究使用的选择性激光烧结系统属于光机电一体化系统，由三维运动机构、激光聚焦模块和控制模块组成，其整体结构如图2—1所示。三维运动机构设置于机座之上，并支撑着烧结平台。激光聚焦模块由机座支架固定于烧结平台之上，由激光器和光学聚焦器组成。247图2-I选择性激光烧结系统结构图：l、激光器：5、激光器电源及控制器；6、Z轴运动机构；2、支架；3、激光聚焦器；4、烧结平台；7、Y轴运动机构；8、X轴运动机构 硕士学位论文2弓I入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架(1)三维运动机构三维运动机构由相互垂直的X．Y-Z三轴运动机构构成。各个运动机构均由两相步进电机驱动滚轴丝杠实现相应自由度上的运动，移动分辨率为lgm，运动速度为0．100mm／s。同时，在各轴两端设有限位开关(机械式或磁电式)，Z轴设有复位开关(光电式)。各运动机构基本参数如表2—1所示。表2-1各运动机构基本参数烧结平台由粉末缸和模型缸组成，整体固定于三维运动机构上。工作时模型缸根据既定的运动轨迹随X．Y轴运动机构移动；粉末完成一次烧结后，烧结平台随Z轴运动机构下降一定高度准备下一层烧结。三维运动机构可完成直线、圆弧或空间螺旋线等轨迹，实现实时插补运动。(2)激光器与聚焦模块激光器采用美国SYNRAD公司的C02激光发射器，基本性能参数如表2—2所示。激光器控制信号为脉宽调质(PWM)信号，信号脉宽控制输出电压，周期控制输出频率。光学聚焦器设置于激光器发射光路下方，由光学零件搭建而成，主要包含并行光学器件、凸透镜等。通过调节凸透镜可以控制输出激光光斑。输出激光的最小光斑直径为501am，此时烧结工作面与聚焦透镜之间的距离为38mm。通过增加该距离可以增加激光光斑直径。表2-2SYNRAD，COz激光发射器基本性能参数2．1．2烧结控制模块选择性激光烧结控制模块由步进电机控制部分和激光器控制部分组成。本文选用由东方嘉宏生产的专用于激光加工技术的6050控制卡作为控制总成。6050控制卡结合了开关控制、伺服电机控制、脉宽调质信号控制等，非常适合本烧结系统的控制要求。以6050控制卡为中心完成控制模块硬件接线后，在PC机上利用Delphi2010软件平台调用6050控制卡自带的动态链接库，实现该运动机构的软件控制。11 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架(1)步进电机控制步进电机控制包括三部分，即步进电机、步进电机驱动器和信号控制及反馈。步进电机是可以将脉冲信号转变为线位移或者角位移的开环控制元件。在没有超载的条件下，电机的转速和角位移与脉冲信号的频率和脉冲数成正比。步进电机驱动器是为步进电机提供分时供电及多相时序控制电流的执行机构。驱动器的性能参数如表2—3所示。6050控制卡提供能够控制步进电机和驱动器的脉冲控制信号，是步进电机控制中的控制与反馈部件。通过6050控制卡调节脉冲信号可以实现步进电机的正反转，控制脉冲频率可以改变电机转速及加速度，实现调速控制。步进电机控制组成如图2．2所示。各部分功能如下：①上位机：利用PC机上的控制软件与6050控制卡进行指令通讯，可向控制卡写入转度、加速度等状态数据。②6050控制卡：6050控制卡根据上位机的指令生成脉冲模拟信号。此脉冲信号的脉冲数、脉冲频率及频率改变幅度分别决定了步进电机的位置、速度和加速度参数。③步进电机驱动器：步进电机驱动器可以依照接收到的脉冲信号，产生多拍节脉冲信号驱动步进电机工作。图2-2步进电机控制系统表2-3电气性能(环境温度Tj=25℃)(2)激光器控制本选择性激光烧结所需要使用的大部分运动插补算法以及控制策略均在PC机上实现，通过PC硬件接口将控制命令传送至6050控制卡，最终实现烧结过14 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架程。激光器接收PWM信号后，产生内部介质(C02)激励，输出激光能量。控制卡通过调节PWM信号可以控制输出激光的频率及占空比。激光器控制组成如图2—3所示。图2-3激光器控制系统(3)控制系统总体接线控制系统总体接线包括电机控制系统接线和激光器控制体统接线两大部分。6050控制卡与上位机(PC机)、步进电机和激光器的连接实现了烧结系统的整体控制。三轴运动平台每个轴均由一个步进电机及对应的一个启动器驱动。电机控制系统接线思路如下：①6050控制卡选用正向脉冲／反向脉冲输出模式，电机驱动器输入端采取共阳极接法，保证控制卡发送脉冲时低电平有效；②电机驱动器输出端分别对应连接电机正向线圈和反向线圈；⑨运动平台各轴两端设有限位开关，将限位开关两端引线分别接向6050控制卡的IO输入端和相应的COM口。④Z轴设有光电开关选用NPN型，作为复位开关。⑤6050控制卡和驱动器共用12V直流电供电。激光器控制接线需将6050控制卡的PWM信号输出端口与激光器信号输入端口对接，并通过跳线J5、J6选择PWM输出模式。2．1．3工艺流程控制烧结设计数据从输入到最终扫描在烧结工作面上需要经过插补运算、模型转换、数据校正及中断数据处理等流程，最终由控制卡控制运动平台X、Y、z运动导轨以及聚焦系统协同工作，将零件二维截面图形扫描在工作面上。烧结工艺流程控制由两部分组成：位置控制和激光控制。位置控制是利用上位机(PC机) 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架实现运动轴点到点的运动控制及速度控制。激光控制是通过控制PWM信号调节激光器功率。基本控制过程如图2_4所示：首先依照设计支架模型进行分层切片，生成加工路径数据；接着运用计算机Delphi编写的控制软件调用控制卡的动态链接库控制运动机构完成设定加工轨迹，并通过正负反馈校正运动位置；同时控制软件通过调节PWM输出信号实现激光功率的控制；然后在工艺参数精确控制下完成磷酸三钙人工骨支架原型烧结：最终经过后处理获得满足要求的多孔人工骨支架。图2-4激光烧结工艺控制流程图2．2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架2．2．1磷酸三钙／PLLA混合粉末本研究将添加少量左旋聚乳酸(PLLA)的13-TCP粉末作为原料粉末，采用选择性激光烧结技术制备多孔磷酸三钙人工骨支架。在烧结过程中PLLA发生熔融，在烧结区域内引入瞬态液相。引入的液相可以促进TCP致密化，降低TCP烧结温度，最终抑制TCP的相转变，提高支架性能。同时，PLLA将在烧结过程中降解直至完全消失，避免PLLA残留带来的负面影响。实验用B．磷酸三钙粉末由中国昆山华侨科技新材料有限公司提供，采用沉淀法制备，由Ca(N03)2和fNH4)2HP04反应，经700．800。C煅烧，保温3—5小时制16 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架的。粉末为白色无定形粉末；平均粒度为200nm，熔点为16700C，堆积密度为0．749／cm3，Ca／P摩尔比为1．50，符合中华人民共和国医药行业标准YY／T0683．2008OI,科植入物用B一磷酸三钙》要求。实验用聚L．乳酸(PLLA)粉末由济南岱罡生物科技有限公司购得，由丙交酯丌环聚合法制备。粉末为无定形聚合物，玻璃态转变温度为60—650C，熔点为174．1850C，粘度IV为0．2．8dl／g，平均分子量为10kDa。PLLA是重要的乳酸衍生物，但大多数学者认为PLLA的降解产物的可能引起PLLA植入物周围组织细胞的无菌性炎症反应，且细胞亲和力弱俐【74|。本实验将少量PLLA掺入到fI-TCP粉末中，通过调节添加量可以得到不同PLLA含量的混合粉末。运用机械混合方法，得到PLLA质量分数分别为0．5％，1％，3％的PLLA／13．TCP混合粉末用于烧结实验。2．2．2多孑L磷酸三钙人工骨支架的制备(a)6道5层支架图2—5多孔磷酸三钙人工骨支架：(a)6道5层支架；(b)5道7层支架 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架在实验室开发的选择性激光烧结系统上，对PLLA／13．TCP混合粉末进行烧结实验，利用熔融的PLLA引入瞬态液相，制备多孑L磷酸三钙人工骨支架。具体的操作过程为：在模型缸上匀称铺层混合粉末，铺粉厚度不超过0．2ram。然后以设定的激光能量密度、光斑直径、预热温度等工艺参数下，依据一定的扫描轨迹，选择性扫描烧结粉末。降低烧结高度后铺设新粉烧结新层，经过反复堆积制得磷酸三钙人工骨支架。部分成型支架如图2．5所示。图中可以看出，所制备的磷酸三钙人工骨支架均具有完好的整体结构，三维连通的孔隙结构和较高的比表面积。每层烧结组织致密，稳定性好。支架具有相互贯通的内部孔隙结构，在后处理时未烧结的粉末可以利用气枪轻易的去除干净。更重要的是，在植入体内进行骨修复时这种孔隙结构对成骨细胞的营养物质供给及代谢废料的排除具有极其重要的意义。2-3磷酸三钙人工骨支架微观结构测试方法制备磷酸三钙人工骨支架的微观结构测试包括：微观形貌测试和物相组成测试。采用的测试方法如下所示：(1)扫描电镜(Scanningelectronmicroscope，SEM)分析利用日本电子株式会社的JSM一6490LV型扫描电镜分析仪对不同实验参数下的烧结试样微观结构进行测试分析。其分辨率低于3．0nm，最大放大倍数为300，000倍，真空度为1．5x10-3pa。测试前试样均进行表面喷金。部分样品根据需要在喷金前进行机械抛光或化学腐蚀处理，以观察烧结试样晶界形貌。(2)能量色散X射线光谱(EnergyDispersiveX-Ray，EDX)分析利用JSM一6490LV型分析仪自带的能谱分析功能，借助于元素特征x射线分析，检测试样的元素组成及相对含量。测试时加速电压为20keV，测试试样研磨成粉末，不进行其他处理。(3)X射线衍射(X．raydiffraction，XRD)分析为了分析烧结试样的物相组成，利用德国布鲁克公司的D8-ADVANCE型XRD分析仪对不同实验参数下的磷酸三钙人工骨支架进行X射线衍射分析。其采用Cu靶一Ka射线，九值为1．54056A，管压为40KV，管流为40mA。并将实验结果与标准JCPDS(JointCommitteeonPowderDiffractionStandards)卡片进行对照匹配，确认结晶相。(4)傅里叶变换红外光谱(Fouriertransforminfraredspectroscopy,FT-IR)分析利用飞世尔科技公司的NicoIeReTM6700型傅里叶红外光谱仪对磷酸三钙混 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架合粉末及制备支架中存在的物质成分，确定其分子结构和宫能团。测试前试样均被研磨成o．29样品粉末，并与KBr均匀混合制成压片后放入测试仪器内进行检测。其样品扫描次数为20，背景扫描次数为20，分辨率为4．000，采样增益为1．0，动镜速度为0．6329cm／s。(5)热重差(Thermalgravimetrieanalysis，TGA)分析为了定量分析PLLA残留含量，利用瑞士MettlerToledo公司的TGA．SDTA85le热重差热同步分析仪对烧结试样进行热重差分析。其测量范围为20．8000C：线性升温速度为10。C／min；样品测试质量为29。2．4工艺参数对磷酸三钙人工骨支架微观结构的影响2．4．1激光能量密度对人工骨支架微观结构的影响在激光烧结工艺参数中，激光功率和扫描速度对粉体材料致密成型与非有极其重要的意义，对烧结成型质量的影响尤为明显。为了更好的揭示选择性激光烧结磷酸三钙人工骨支架工艺参数的综合效应规律，引入激光能量密度的概念。激光能量密度计算，如公式(2．1)所示【61】[62】。。～￡f￡--'D一7c诃J(2-1)其中见为激光功率：v为扫描速度；dx为扫描间距；厂为修正系数。进行烧结实验时，扫描间距一定，则激光功率n与扫描速度v的比值能够直接反映出能量密度的变化趋势。改变激光能量密度可以改变烧结状况。在扫描间距为0．2mm，光斑直径为0．5mm，铺粉厚度为O．1mm的条件下，激光能量密度Eo对磷酸三钙烧结成型的影响如表2-4所示。其中激光能量密度低于0．2J／ram2，磷酸三钙不能烧结成型；在0．2．0，6J／mm2区间成型精度较好，烧结件强度高；高于0．6J／mm2，烧结温度过高，烧结件存在裂纹翘曲等缺陷。因此，本研究选用激光能量密度0．2，0．3，O．4，O．5和0．6J／ram2进行磷酸三钙人工骨支架烧结实验，研究激光能量密度对人工骨支架微观结构的影响。为了与引入液相烧结磷酸三钙对比，对纯13-TCP粉末烧结试样亦进行了测试分析。表2-4激光能量密度对磷酸三钙烧结成形的影响(1)XRD物相分析19 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架图2-6为15-TCP粉末及激光能量密度分别为0．2，0．3，0．4，0．5和0．6J／ram2时烧结试样的XRD衍射图。图2-6(a)显示初始[I-TCP粉末特征衍射峰在位置和数量上均与标准p-TCP衍射图谱相一致(JCPDS编号No．9．16[631)，并且没有其他结晶衍射峰出现，这表明了初始粉末的高纯度。然而，在图2-6(b—f)的]3-TCP烧结试样的图谱中出现了对应于0c．TCP相的新衍射峰，这说明在激光烧结过程中发生了／3-TCP向a．TCP的相转变。从衍射图中可以发现，随着激光能量密度的增加，烧结试样[3-TCP衍射峰不断减弱，而旺．TCP衍射峰不断增强。当激光能量密度大于0．5J／mm2时，a．TCP衍射峰峰强超过p-TCP衍射峰，表明烧结试样中o【．TCP代替p-TCP成为物相主相。制备的磷酸三钙人工骨支架的0【一TCP的物相含量如果过高将影响支架性能，因此需要寻找合适的途经来抑制TCP的相转变。●i、巴刨爱世亲姥20(o)图2-6烧结前后B-TCP的xRD衍射图：(a)初始B—TCP粉末；(b)激光能量密度为0．2J／mr．2；(c)激光能量密度为0．3J／ram2；(d)激光能量密度为0．4J／ram2；(e)激光能量密度为0．5J／ram2(f)激光能量密度为O．6J／舢2图2．7为PLLA／[3．TCP混合粉末(I％PLLA)及激光能量密度分别为0．2，0．3，0．4，O．5和0．6J／mm2时烧结试样的XRD衍射图。图2。7(a)为含有I％PLLA20 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架混合粉末XRD衍射图。由于PLLA含量很低(仅为1％)，在衍射图中不能准确的显示出来，其物相表征将在红外FT-IR分析中详细表述。图2—7(b—f)为混合粉末在不同激光能量密度条件下的烧结试样XRD图，可以观察得到烧结试样中p-TCP衍射峰峰强始终强于Q．TCP衍射峰，并且没有第三物相出现。与图2-6对比可知，在同等激光能量密度条件下，PLLA／p—TCP混合粉末烧结试样p-TCP衍射峰峰强远高于I]-TCP粉末的烧结试样。2e(o)图2—7烧结前后PLLA／[3一TCP混合粉末(I％PLLA)的XRD衍射图：(a)PLLA／O—TCP混合粉末；(b)激光能量密度为0．2J／mm2；(c)激光能量密度为0．3J／蚴2；(d)激光能量密度为0．4J／咖2：(e)激光能量密度为0．5J／mm2(f)激光能量密度为0．6J／mm2为了定量分析烧结试样中[3-TCP和0L．TCP晶相含量，运用(Referenceintensityratio)RIR方法计算物相比值‘删。XRD衍射图中所有晶相的相对强度值称为RIR值，它能很好的反映某晶相在所有晶相中的相对含量，计算方法如公式(2—2)所剥651。 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架X，。三了×100％(2-2)．=—————=——_-×＼Z。Z，I甩』i唑J三1砖l=鄹Ri0．10．20．30．40．50．60．7激光能量密度(J／ram2)图2—8不同激光能量密度下13-TCP和PLLA／13一TCP混合粉末(I％PLLA)烧结试样中13-rcP质量分数图2—8为p-TCP粉末和PLLA／13．TCP混合粉末(1％PLLA)烧结试样中，13-a'cP相含量随激光能量密度的变化规律图。从图中可以看出，随着激光能量密度的提高烧结温度不断增加，烧结试样中13-TCP相含量不断减少，发生13-TCP向Ⅱ．TCP相转变。在13-TCP粉末的烧结试样中，随着激光能量密度从0．2增加到0．6J／mm2，[3-zcP质量分数从78+1．47下降至34+1．41wt％。当激光能量密度达到O．5J／I砌2时，fI-TCP质量分数为48士1．51wt％。而在PLLA／13．TCP混合粉末烧结试样中，随着激光能量密增加，p-TCP质量分数从92土1．53下降至67+1．46wt％。当激光能量密度为O．4J／mm2时，PLLA／13．TCP混合粉末烧结试样中13-TCP质量分数为77+1．49wt％，相对于13-zcp粉末烧结试样的60-a：1．65wt％有很大提高。当激光能量密度为0．6J／ram2时，掺入PLLA后粉末烧结试样口-TCP含量几乎为13-TCP粉末的两倍(67+1．46wt％对比于34+1．41吼％)。由以上XRD测试结果可以得出，p-TCP粉末中添加的少量PLLA在选择性激光烧结过程中对抑制TCP的相转变∞粥舳加印卯∞一装善一羞求妞式骚疆崾 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架有显著作用。(2)FT-IR化学基团分析装、’／姆蜘’h蛔4000350030002500200015001000波数(cm一)500图2-9烧结前粉末材料红外光谱：(a)初始13-TCP粉末；(b)初始PLLA粉末；(c)PLLA／B—TCP混合粉末(1％PLLA)图2-9是初始PLLA、13-TCP粉末和PLLA／IB．TCP混合粉末(1％PLLA)的FT-IR图谱。图2-9(a)中，1758cm。1处的弥散峰为PLLA中C=O基团伸缩振动特征掣66】；2999，2948cm1为c。H伸缩振动峰【67】；1455，1385and1363cm。1为c—H弯曲振动蟮6引。图2-9(b)为13-TCP粉末红外吸收光谱，弥散峰1637cm’1和3429cm‘1属于吸附水‘69】；551和609cm一1属于O—P—O弯曲振动峰【70】；945，979，1045和1120cm。1对应P043‘中P．O的伸缩振动峰【711。图2-9(c)为PLLA／13．TCP混合粉末图谱，图中C=O基团1755cm1的特征峰证实了PLLA的存在。分析图谱可知，在混合粉末图谱中未出现新基团，说明在混合过程中13-TCP与PLLA未发生任何化学反应。 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架波数(cm‘1)图2-1o不同激光能量密度下PLLA／B-TCP混合粉末(I％PLLA)烧结试样FT-IR图谱：(a)激光能量密度为0．2J／姗2；(b)激光能量密度为0．3J／mm2；(c)激光能量密度为0．4J／mm2；(d)激光能量密度为0．5J／舢2(e)激光能量密度为0．6J／mm2图2—10为PLLA／f1．TCP混合粉末(I％PLLA)在不同激光能量密度条件下，烧结试样的红外光谱图。可以看出随着激光能量密度的增加，PLLA中C=O基团在1758cm。1的特征峰强度不断减弱直至完全消失，这是由于PLLA在激光照射下发生了分解。当激光能量密度达到0．4J／mm2时，烧结试样中C=O特征峰已完全消失，说明烧结试样中已不存在PLLA，这避免了PLLA残留可能给人工骨支架生物学性能带来的负面影响。另外可以观察到，随着激光能量密度的提高烧结试样中TCP的P043‘基团吸收峰逐渐尖锐，说明TCP的结晶度不断提高【72】。(3)SEM微观形貌分析24 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架图2—11PLLA／IB—TCP混合粉末(I％PLLA)烧结前后微观形貌：(a)PLLA／IB—TCP混合粉末；(b)激光能量密度为0．2J／mm2：(c)激光能量密度为0．3J／mln2；(d)激光能量密度为0．4J／ma2：(e)激光能量密度为0．5J／舢2：(f)激光能量密度为0．6J／mm2图2一11为PLLA／13一TCP混合粉末(1％PLLA)及激光能量密度分别为0．2，0．3，0．4，0．5和0．6J／mm2时烧结试样的SEM微观形貌图。图2—11(a)为PLLA／13一TCP混合粉末微观形貌，粉末颗粒呈现出同质性未出现团聚现象，平均粒度大小为200nm。图2．11(b．f)为不同激光能量密度条件下的烧结试样微观形貌。当激光能量密度为0．2J／mm2时，观察到粉末颗粒之间开始形成烧结颈，部分颗粒大小有微小长大(图2—11(b))。这表明颗粒开始发生粘结重构，但烧25 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架结不充分。当激光能量密度为0．3J／ram2时，颗粒间粘结更加紧密，烧结试样致密化程度提高，表面出现不规则1-59m直径大小的孔洞(图2．11(c))。激光能量密度为0．4J／mm2时，烧结试样表面显示出高致密度，表面平整且孔洞消失(图2—11(d))。激光能量密度为O．5J／mm2时，试样表面出现少许不规则孤立裂纹(图2-1l(e))。结合XRD分析结果，此裂纹应归结于烧结过程中TCP的相转变导致的体积膨胀17习。当激光能量密度为0．6J／mm2时，随着TCP相转变增加，烧结试样体积继续膨胀，裂纹数量有所增加，且裂纹相互勾连，部分裂纹宽度增大(图2．11(f))。2．4．2PLLA含量对人工骨支架微观结构的影响准确控制p-TCP粉末中PLLA的添加量，对引入瞬态液相烧结磷酸三钙人工骨支架的成功与否有重要影响。过量的PLLA将导致制备的烧结件中残留有未氧化分解的PLLA，影响支架的生物学性能【74】：不足的PLLA添加将无法抑制TCP的相转变，影响支架的机械性能。本研究选用三种不同的PLLA／TCP混合粉末配比(分别含有O．5，1和3wt％PLLA)在激光能量密度为0．4J／mm2条件完成烧结，对制备支架的微观结构进行测试与分析，探讨引入瞬态液相烧结磷酸三钙人工骨支架成型机理，并选取最优混合比例。(1)FT-IR化学基团分析图2．12为初始粉末及含有O．5、1和3wt％PLLA混合粉末0．4J／mm2烧结试样的FT-IR红外光谱图。图2．12(a)中t758cm‘1处的吸收峰为PLLA中C=O基团衍射特征峰；图2．12(b)中560，610，940—980和1000．1200cm一的吸收峰为p-TCP中P043’基团衍射特征峰。图2一12(e．g)为PLLA含量分别为0．5％、1％和3％时混合粉末烧结试样红外光谱图。随着PLLA含量的增加，烧结试样P04孓基团衍射峰(560．610cm‘1)不断增强，说明烧结过程中PLLA与p-TCP存在分子间相互作用，意味着引入的瞬态液相对p-TCP烧结性能产生了一定的影响。当混合粉末中PLLA含量为0．5％、1％时，烧结试样衍射图谱中未出现C=O衍射峰，这说明烧结过程中PLLA已完全分解，支架中不存在PLLA残留。而当混合粉末中PLLA含量为3％时，C=O基团的出现说明烧结试样中存在PLLA残留。26 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架4000350030002500200015001000500、波数(em-1)图2—12初始粉末及激光能量密度为0．4J／m2烧结试样FT-IR图谱：(a)PLLA粉末；(b)[3-TCP粉末；(c)I％PLLA含量混合粉末；(d)fl-TCP烧结试样；(e)0．5％PLLA含量混合粉末烧结试样；(f)I％PLLA含量混合粉末烧结试样；(g)3％PLLA含量混合粉末烧结试样(2)TGA热重差分析loo．02100§99．98≥籁99．96Jr-,翟99．9499．9299．9十3wt％PLLA含量200320440560680800温度(oC)图2-131％和3％PLLA含量混合粉末烧结人工骨支架TGA曲线27 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架图2．13为含有1％和3％PLLA混合粉末烧结试样TGA曲线。当混合粉末中PLLA含量为1％时，TGA测试中未发生质量损失，证实了烧结过程中PLLA已经完全分解，这与FT-IR分析相一致。当PLLA含量为3％时，试样在加热过程中发生了O．07％的质量损失，说明制备支架存在相应质量分数的PLLA残留。依照FT-IR和TGA的测试结果，可以确认混合粉末中PLLA的含量应低于3％，以避免烧结人工骨支架中存在PLLA残留。(3)XRD物相分析图2．14为[3-TCP粉末及含有O．5，l和3wt％PLLA混合粉末0．4J／瑚m2烧结试样的XRD衍射图。从图中可以看出随着混合粉末中PLLA含量的增加，其烧结试样中13-TCP相衍射峰不断增强，而cL．TCP相衍射峰相应不断减弱。运用PAR方法计算可得，[3-TCP粉末烧结试样中13-TCP含量为50．7wt％：含有I％PLLA混合粉末烧结试样中[3-TCP含量为72．5wt％；含有3％PLLA混合粉末烧结试样中[3-TCP含量为80．1wt％。较高的13-TCP含量可以使烧结支架获得更好的机械性能。厂)置e创慝嫂}芸娃图2-14激光能量密度为0．4Jim2时烧结试样XRD衍射图：(a)13-TCP烧结试样；(b)O．5％PLLA含量混合粉末烧结试样；(c)I％PLLA含量混合粉末烧结试样；(d)3％PLLA含量混合粉末烧结试样 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架(4)SEM微观形貌分析图2．15为pTCP粉末及含有0．5，1和3wt％PLLA混合粉末在0．4J／ram2条件下，烧结试样的SEM微观形貌图。由图2．15(a)可以看出[3-TCP在0．4J／turn2烧结试样出现大量不规则裂纹，这些裂纹被认为是由TCP的相转变过程中的体积膨胀所引起，它将降低支架的机械性能。图2．15(b)中含有0．5％PLLA混合粉末烧结试样表面仍存在少量裂纹。而图2．15(c)中，含有I％PLLA混合粉末烧结试样具有表面平整，没有裂纹出现，表明支架具有较高的致密化程度。在图2—15(d)中，含有3％PLLA混合粉末烧结试样的表面存在气泡及裂纹缺陷，这些缺陷将对支架的机械性能产生负面影响。图2-15激光能量密度为0．4J／岫2时烧结试样微观形貌：(a)[3-TCP烧结试样：(b)o．5％PLLA含量混合粉末烧结试样；(c)I％PLLA含量混合粉末烧结试样；(d)3％PLLA含量混合粉末烧结试样为了进一步了解PLLA含量对TCP烧结微观结构的影响，对烧结试样使用5％HF进行化学腐蚀5分钟。腐蚀后SEM微观形貌如图2．16所示。由图2—16(a-b)可以看出，13-TCP及含有0．5％PLLA混合粉末烧结试样的晶粒大小均为250nm，试样表面分布着晶间裂纹。图2—16(c)为含有I％PLLA混合粉末烧结试样的腐 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架蚀表面，未发现裂纹，与图2．15(c)分析结果相吻合。含有3％PLLA混合粉末烧结试样的腐蚀表面显示出较小的晶粒(200rim)及晶间裂纹(图2—16(d))。图2一16激光能量密度为0．4J／mill2时烧结试样化学腐蚀后微观形貌：(a)[3-TCP烧结试样：(b)0．5％PLLA含量混合粉末烧结试样；(c)I％PLLA含量混合粉末烧结试样；(d)3％PLLA含量混合粉末烧结试样综合以上测试结果，可以确定混合粉末中PLLA含量为l％为引入瞬态液相烧结磷酸三钙人工骨支架的最优比例，烧结制备的支架可以获得较高的致密化程度同时避免PLLA残留。2．5引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架的机理引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架的烧结机理如图2—17所示。磷酸三钙的致密化过程是液相PLLA和TCP晶粒重构综合作用的结果。烧结前，混合粉末中PLLA颗粒与13-TCP颗粒均匀混合，两者间没有发生任何化学反应。在烧结初始阶段，激光照射下的PLLA受热达到熔融温度时融化并且以液相形式在烧结区域内发生流动。然而，此时的p-TCP颗粒由于未达到烧结温度，其获得的表面能不足以完成晶粒迁移。因此，熔融的PLLA只能填充在13-TCP颗粒的30 硕士学位论文2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架间隙处。随着烧结温度的提高，13-TCP颗粒在获得足够的表面能的同时，液相PLLA将继续渗透入fI-TCP颗粒间隙，最终均匀的包裹p-TCP颗粒。此时，13-TCP颗粒将在自身表面张力及引入的液相毛细管力‘75I共同作用下发生晶粒重构。在进一步的激光照射下，PLLA将逐渐的降解直至完全消失；而13-TCP颗粒将相互结合最终完成致密化。(d)(c)图2—17引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架的烧结机理(1：TCE2：PLLA)2．6本章小结本章简述了实验所用的选择性激光烧结系统，介绍了烧结运动控制系统，对烧结工艺流程进行了详细阐述，为人工骨的制备提供了实验设备和准备条件。利用多种现代测试方法对引入瞬态液相烧结磷酸三钙人工骨支架在不同烧结参数下的微观结构和烧结性能进行了测试与分析，利用刚R方法和TGA分析对烧结支架物相组成进行了定量分析。总结了不同工艺参数(激光能量密度，PLLA添加含量)对磷酸三钙人工骨支架表面形貌和微观结构的影响规律。实验证实通过引入瞬态液相可以明显抑制TCP的相转变，并提高磷酸三钙的烧结性能。最后探讨了引入瞬态液相烧结磷酸三钙人工骨支架的机理。 硕士学位论文3引入瞬态液相对人工骨支架性能的影响骨组织工程支架需要具有一定的机械性能。本章采用万能机械性能测试仪和显微硬度计对引入瞬态液相烧结磷酸三钙人工骨支架的机械性能进行检测和分析，探讨支架机械性能随烧结工艺参数变化规律及机理。并采用体外模拟体液实验测定人工骨支架在模拟生物环境中的生物降解性和生物活性，对其在模拟生理体液(Simulatedbodyfluid，SBF)中生成的矿物层微观结构变化和成份变化进行分析。3．1引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架的机械性能3．1．1磷酸三钙人工骨支架机械性能测试方法引入瞬态液相烧结制备支架的机械性能测试包括压缩强度、断裂韧性和维氏硬度测试。利用上海百若试验仪器有限公司生产的微机控制电子万能试验机(WD．D1)对烧结试样进行压缩强度测试。测试前，试样被分割成长宽高均为3mm的立方体，表面抛光处理；测试时，加压方向与测试面保持垂直，横向施压速度为O．5mm／min，负载极限为5％。利用上海泰明光学仪器有限公司提供的HXD．1000TM／LCD型显微硬度计对人工骨支架进行维氏硬度和断裂韧性检测。断裂韧性测试采用单刃V形切口梁法(SingleedgeV-notchedbend，SEVNB)【76]，测试载荷为2．942N(3009f)，加载时间为lOs。通过测量试样表面径向裂纹长度得到临界应力强度指数KIc，根据计算公式(3一1)计算得到烧结试样的断裂韧性【771。PKlC2j∽斋，xIah删2碡靠了限99x(1-瑚X(2．15_3．嗷+2脬)∞。1’其中Pc为临界载荷(Pa)；B、W为测试试样的厚度和宽度(mm)；f为几何校正系数，表示为a／w的函数；a为初始裂纹长度。每个试样测试五组数据并取平均值作为该试样的断裂韧性。硬度测试之前，首先将支架试样进行镶嵌、抛光处理(XQ一2B，022*15)，然后在硬度计上进行加压测试，测试载荷为2．942N(3009f)，加载时间为10s。根据公式(3．2)测得人工骨支架的维氏硬度【78】。32 硕士学位论文3引入瞬态液相对人工骨支架性能的影响删=0．1891砉(3．2)其中F为实验加载力吖)；d为凹坑对角线距离㈣：／-／V为维氏硬度。每个支架试样取五组数据计算偏差。3．1．2磷酸三钙人工骨支架压缩强度及断裂韧性激光能量密度与PLLA添加含量对烧结制各的磷酸三钙人工骨支架的机械性能均具有重要影响。为了全面分析不同工艺参数条件下磷酸三钙人工骨支架的机械性能变化机理，对不同PLLA含量混合粉末在不同激光能量密度下烧结试样进行测试分析。(1)压缩强度测试舍17皇创囊嫖出16碍B-TCP粉末口O．5wt％PLLA含量激光能量密度(J／ram2)图3-1不同激光能量密度下[3-TCP及不同PLLA含量混合粉末烧结支架压缩强度变化图13一TCP及不同PLLA含量混合粉末烧结支架压缩强度随激光能量密度变化规律如图3-1所示。当激光能量密度为0．2．0．4J／mm2时，[3-TCP及混合粉末烧结支架的压缩强度均随着激光能量密度的增加而增加；当激光能量密度为0．4—0．6J／ram2时，烧结支架的压缩强度随能量密度增加而减小。表3．1为不同激光能量密度下[3-TCP粉末烧结支架表观密度。可以看出支架表观密度与压缩强度呈现出相似的变化规律。普遍认为烧结程度的提高可以增强烧结颗粒间的联接强度，最终提高烧结支架的机械性能；而过烧时烧结件存在裂纹、孔洞等缺陷，将导致 硕士学位论文3引入瞬态液相对人工骨支架性能的影响致密度的下降，最终降低机械性能。13-TCP及含有0．5％，I％PLLA混合粉末烧结支架的压缩强度在激光能量密度为0．4J／nlm2时达到最大，分别为16．92：1：0．04、17．03+0．02和17．67+0．04MPa；含有3％PLLA混合粉末烧结支架在能量密度为O．3J／IT：lIll2时达到最大，为16．65：H)．02MPa。相同能量密度条件下，含有0．5％、I％PLLA混合粉末烧结支架压缩强度均高于13-TCP粉末；而含有3％PLLA混合粉末烧结支架压缩强度低于13-TCP粉末。这里压缩强度的下降与支架中PLLA的残留有关。表3-1不同激光能量密度下B-TcP粉未烧结支架表观密度(2)断裂韧性测试激光能量密度(J／ram2)0．5_13-xc嘲束口05wt％PLLA含量日IWt％PLLA含量目3wP／oPLLA含量图3-2不同激光能量密度下[B-TCP及不同PLLA含量混合粉末烧结支架断裂韧性变化图IB-TCP及不同PLLA含量混合粉末烧结支架断裂韧性随激光能量密度变化规律如图3．2所示。p-TCP粉末烧结支架的断裂韧性变化范围为0．95+0．01—1．214-0．02MPam¨2；含有0．5％PLLA混合粉末为1．07+0．03—1．30-a：0．02MPam忱：含有1％PLLA混合粉末为1．14+0．01—1．434-0．02MPam¨2；含有3％PLLA混合粉末为1．18士O．01—0．91士0．02MPam“2。断裂韧性与烧结支架的微观结构和烧结致密54321l98L1l1l0O一壁g哥鲁6枣幂秣鉴 硕士学位论文3引入瞬态液相对人工骨支架性能的影响有关。磷酸三钙陶瓷的烧结过程中TCP的相转变将生成a-TCP，最终导致支架的韧性下降。添加的PLLA可以在磷酸三钙烧结中引入瞬态液相，降低TCP烧结温度抑制相转变，因此烧结支架的断裂韧性大幅提高。当激光能量密度为0．4．T／mm2时，含有I％PLLA混合粉末烧结支架的断裂韧性相比于IB-TCP粉末烧结支架提高了18．18％。然而，添加过量的PLLA将会在烧结支架中留有PLLA残留，导致断裂韧性的下降。当激光能量密度高于0．5J／mm2时，含有3％PLLA混合粉末烧结支架的断裂韧性要略高于IB-TCP粉末烧结支架。结合图2—16的测试分析，这种现象产生的原因可以归结于较小的晶粒尺寸与较少的表面裂纹。(3)维氏硬度测试激光能量密度(J／ram2)图3-3不同激光能量密度下1％PLLA含量混合粉末烧结支架维氏硬度变化图图3—3为含有1％PLLA混合粉末烧结的人工骨支架维氏硬度与激光能量密度的关系图。由于激光能量密度小于O．3J／mm2时，烧结试样硬度值很低，无法通过实验仪器测量，故只对O．3J／mm2及以上烧结条件下的烧结试样进行测试。随着激光能量密度的增大，烧结支架的维氏硬度不断增加，最大值为285．8士3．3HV。当能量密度为0．4J／mm2时，烧结支架硬度为170．3+2．9HV，与天然人体骨组织相近。3．2引入瞬态液相制备磷酸三钙人工骨支架的生物学性能3．2．1磷酸三钙人工骨支架生物学性能测试方法将I％PLLA含量混合粉末0．4J／mm2条件下烧结制备的人工骨支架静态浸泡 硕士学位论文3引入瞬态液相对人工骨支架性能的影响于配制的SBF溶液中，对不同浸泡时间条件下支架试样生物学性能进行测试分析。(1)模拟生理体液的配置SBF配置原料为分析纯NaCl、KCl、NaHC03、K2HP04．3H20、MgCl2．6H20、CaCl2．2H20、Na2S04化学试剂及蒸馏水【791。将169NaCl、0．459KCI、20．69NaHC03、0．58gK2HP04．3H20、0．69MgCl2．6t-120、O．159Na2S04与700ml蒸馏水均匀混合【80】。配制过程中使．睡J(CH20H)3CNH2和HCl作为缓冲试剂，调节溶液pH值(7．4)f8I】。最终配置的模拟生理体液中各离子浓度与人体骨组织所处环境相近，如表3．2所示【?21。袁3-2配制SBF溶液及人体血浆各离子浓度(2)SBF浸泡实验测试流程将I％PLLA含量混合粉末烧结制备的人工骨支架分割为相同重量(29)的四组样品，按照表面积／溶液体积比10一cm～，进行四周的SBF浸泡实验。实验过程处于闭光状态，置于37+1。C的恒温水浴中。为保证模拟环境的离子浓度不变，每4天换一次SBF溶液。经过设计时间浸泡后取出试样，利用去离子水反复洗涤，120。C烘干。使用精密电子天平对浸泡前后试样进行称重，按照公式(3．3)计算质量损失率。6=(mo一所)／moX100％(3-3)其中m。和m分别为浸泡前后试样的质量。随后借助SEM扫描电镜、EDX能谱分析、XRD衍射、FT-IR等测试手段对取出试样表面矿物层的微观结构和成份变化进行分析。3．2．2磷酸三钙人工骨支架生物活性及生物降解-陛具有骨生物活性的陶瓷材料在生物环境中会与体液发生离子交换及化学沉淀反应。支架表面生成碳酸磷酸沉淀层，并与周围骨组织产生稳定结合，并逐渐被生成的新骨替代【83】。为证实引入瞬态液相制备的磷酸三钙人工骨支架是否具有上述生物学性能，对在SBF中浸泡后的支架的表面相貌和物相组成进行了测试分析。(1)SEM微观形貌分析 硕士学位论文3引入瞬态液相对人工骨支架性能的影响在SBF中浸泡前后的磷酸三钙支架SEM微观形貌如图3．4所示。图3_4(ab)显示，浸泡前支架试样呈现出密闭光滑的表面，未出现裂纹、孔洞等缺陷。图3-4(cd)显示支架试样在SBF中浸泡1周后，表面变的粗糙并且覆盖了一层矿物结晶。此时结晶层非常稀薄，依然可以辨别出支架试样浸泡前的初始表面形貌。图3．4(ef)显示试样浸泡2周后，表面的矿物结晶层变的稠密，结晶颗粒呈现出近球形，最大直径达到3pm。可以看出支架试样此时已发生少部分降解，在TCP颗粒的表面和边缘处尤为明显，反应出新矿物结晶颗粒的成核现象。图3-4(gh)显示试样浸泡3周后，支架试样表面呈现出一个典型的类骨碳酸磷酸结晶层微观形猁踟【85】。试样整体表面分布着大量片状矿物结晶，其结晶方向与试样表面相垂直。图3-4(g)中可以观察到大量片状结晶联合在一起形成的类花磷灰石结晶簇。而当浸泡时间增加到4周时，试样表面片状结晶消失，转而形成连续的海绵状晶体结构(图3—4