聚醚醚酮仿生人工骨3D打印热力学仿真及实验研究

【摘要】：近年来，随着全世界范围内日益增多的骨骼创伤和修复，人工骨的需求逐年增加。特种工程塑料聚醚醚酮（PEEK）具有优异的耐磨性、生物相容性、化学稳定性以及杨氏模量最接近人骨等优点，是理想的人工骨替换材料，适合长期植入人体。在制造人工骨的诸多方法中，上世纪80年代发展起来的3D打印技术以快速、高精度、高强度、个性化的优势在医学领域，尤其是人工骨制造领域获得相当程度的重视和应用。基于熔融沉积成型（FDM）原理的3D打印技术安全方便、无需使用激光器、后处理简单，与PEEK材料结合制造人工骨必将成为该领域的一项极具潜力的方法。但是，尚未有相关报道，研究处于起步阶段。作者在对3D打印样件进行热力学仿真和实验研究的基础上，利用自行开发的3D打印装置在最优打印条件下成功制造出PEEK仿生人工骨，突破了其只能用注塑和激光烧结制造的局限，具有理论和实际应用价值。 本研究采用有限元分析软件ANSYS中的“单元生死”技术，在考虑材料性能随温度变化及相变条件下通过参数化编程语言（APDL）建立3D打印模型并进行热力学仿真。讨论了喷头温度T1、成形室温度T2和打印速度V这3个主要打印条件对样件温度场和热应力耦合场的影响规律。仿真结果表明：成形室温度T2和打印速度V是影响3D打印样件温度场的主要因素；温度场的快速变化导致热应力分布不均；在保证3D打印顺利进行的前提下，提高成形室温度、加快打印速度可以使样件的温度场分布均匀、粘结质量提高、温度梯度和冷却速率减小，有利于样件充分均匀结晶并降低不均匀收缩引起的翘曲变形，同时，样件底面高应力范围及应力波动减小，打印过程中与打印基板脱落的可能性降低；提高喷头温度对改善粘结质量和温度场分布有利，但不利于减小温度梯度和冷却速率，喷头温度对于样件的温度场和热应力耦合场影响微弱，可根据实际需要进行选择；样件底面受较大拉应力且角点处高应力集中，是最易产生翘曲变形的区域；在高温成形室和高速打印条件下进行PEEK的FDM3D打印具有可行性。 基于有限元仿真结果，开发出基于FDM原理的PEEK3D打印装置，分析了样件翘曲变形机理，针对喷头温度T1、成形室温度T2、打印速度V和分层厚度H对样件翘曲变形的影响进行实验研究，采用非接触三维扫描仪对样件进行测量，获取点云数据，将其与三维数字模型进行对比分析。实验结果表明：样件总体翘曲变形量随成形室温度的提高、分层厚度的减小而降低，随喷头温度、打印速度的提高先减小后增大，存在最佳值；在现有实验条件下，当T1=350℃，T2=130℃，V=30mm/s，H=200μm时，样件的翘曲量最小；通过分析发现，3D打印成形室温度和打印速度是影响样件翘曲变形的主要因素。 基于理论与实验研究，提出减小PEEK3D打印样件翘曲变形的方法。在此基础之上利用获得的最优打印条件进行PEEK仿生人工骨3D打印制造，借助扫描电子显微镜（SEM）对样件打印前后的微观组织形貌变化进行分析。研究结果表明，通过选取适宜的打印条件，利用FDM3D打印可以获得成形质量良好，满足技术要求的PEEK仿生人工骨。