譚力新,劉亞雄,陳若夢(mèng),賀健康,王玲,連芩,李滌塵,胥光申

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2.西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,710048,西安)

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個(gè)性化聚醚醚酮顱骨植入物多點(diǎn)柔性注塑工藝

譚力新1,2,劉亞雄1,陳若夢(mèng)1,賀健康1,王玲1,連芩1,李滌塵1,胥光申2

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安;2.西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,710048,西安)

針對(duì)目前增材制造聚醚醚酮(PEEK)個(gè)性化顱骨植入物強(qiáng)度遠(yuǎn)不如注塑工藝的問題,提出了增材制造與注塑工藝相結(jié)合的新方法——多點(diǎn)柔性注塑工藝。首先,將連續(xù)的平面離散化,采用增材制造靠模的方式,使用大量的活動(dòng)方形鋼針完成柔性模具形腔內(nèi)表面的構(gòu)建;其次,用注塑的方式制造PEEK個(gè)性化顱骨植入物;最后,研磨拋光去除臺(tái)階效應(yīng),獲得高性能的PEEK個(gè)性化顱骨修復(fù)植入物。通過工藝分析、精度分析和體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究評(píng)價(jià),結(jié)果表明:采用該方法制作出的顱骨模型樣品的平均偏差為0.475～-0.409 mm,所制作的拉伸樣件的強(qiáng)度為72.15～83.26 MPa,可以滿足顱骨修復(fù)植入物對(duì)于精度和力學(xué)性能的要求。在體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)中,注塑原料組和試制樣品組浸提液所培養(yǎng)的細(xì)胞存活率均達(dá)90%以上,證明了多點(diǎn)柔性注塑工藝所使用的材料無(wú)毒,在注塑成形過程中沒有引入新的毒性物質(zhì),可以滿足顱骨修復(fù)植入物對(duì)于生物相容性的要求。因此,該方法可制造出低成本、高性能、無(wú)細(xì)胞毒性的個(gè)性化顱骨修復(fù)植入物,在顱骨修復(fù)中具有重要的應(yīng)用前景。

個(gè)性化顱骨修復(fù);聚醚醚酮;柔性模具;多點(diǎn)柔性注塑工藝

顱骨修補(bǔ)術(shù)是腦外科最常見的一種手術(shù)。由于個(gè)體差異巨大,顱骨植入物除了對(duì)生物相容性和機(jī)械性能有著嚴(yán)格的要求外,對(duì)個(gè)性化的需求也極高。

傳統(tǒng)治療顱骨缺損的主要方法是采用鈦植入物。由于鈦具有良好的生物相容性、易加工性、優(yōu)良的機(jī)械性能等優(yōu)點(diǎn),其植入物一直是國(guó)內(nèi)神經(jīng)外科治療顱骨缺損的首選[1]。但是,鈦植入物也存在著一些無(wú)法克服的缺點(diǎn):鈦的模量比骨骼高2～3個(gè)數(shù)量級(jí),應(yīng)力屏蔽可引發(fā)骨溶解與松動(dòng);鈦植入物在醫(yī)學(xué)影像上存在偽影、重影等問題。這些將對(duì)患者后期的腦部診斷產(chǎn)生重大影響。

針對(duì)材料鈦存在的種種缺陷,人們開始尋求一種新型的高分子顱骨植入物材料——聚醚醚酮(PEEK)[2]。PEEK是目前特種工程塑料中綜合性能最好的一種,具有以下優(yōu)點(diǎn):生物相容性好;力學(xué)性能好,其彈性模量與皮質(zhì)骨接近;化學(xué)穩(wěn)定性高;高分子材料在醫(yī)學(xué)影像上不存在偽影、重影等問題。目前,PEEK在醫(yī)療領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用,根據(jù)2011年、2012年世界塑料工業(yè)進(jìn)展報(bào)告,PEEK在醫(yī)用領(lǐng)域的消費(fèi)占10%,其應(yīng)用主要包括手術(shù)器械、假體材料、固定用骨釘、骨板材料等[3]。但是,因PEEK材料存在加工困難的問題,限制了其在個(gè)性化顱骨修復(fù)手術(shù)上的應(yīng)用。

PEEK的玻璃化溫度為143 ℃,熔點(diǎn)則高達(dá)343 ℃,使得只能采用數(shù)控加工或者增材制造的辦法加工PEEK個(gè)性化顱骨植入物[4]。目前,采用數(shù)控加工PEEK個(gè)性化顱骨的成本非常高,材料浪費(fèi)非常嚴(yán)重,而且存在吃刀、讓刀等問題。采用增材制造(如熔融沉積、激光燒結(jié)[5-6])的方法來(lái)加工PEEK個(gè)性化顱骨,則普遍存在材質(zhì)疏松的問題,機(jī)械性能達(dá)不到要求[7-8]。此外,國(guó)際上PEEK材料的價(jià)格非常昂貴,高達(dá)35～40美元/磅[9],而國(guó)內(nèi)PEEK個(gè)性化顱骨的手術(shù)費(fèi)用則至少是鈦網(wǎng)的3～5倍。價(jià)格和技術(shù)上的雙重門檻使得PEEK的使用成本極高,阻礙了它在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展。

針對(duì)目前PEEK顱骨植入物加工方面存在的不足,本文提出了一種PEEK顱骨的制作方法——多點(diǎn)柔性注塑工藝。

1 工藝設(shè)計(jì)

本文采用的多點(diǎn)柔性注塑工藝成形原理是,將連續(xù)的平面離散化,采用增材制造靠模的方式,使用大量活動(dòng)方形鋼針完成對(duì)柔性模具形腔內(nèi)表面的構(gòu)建[10],然后用注塑的辦法制造個(gè)性化PEEK顱骨。

該方法有3個(gè)特點(diǎn):①材料利用率高,采用注塑方式成形能極大地減少PEEK材料的浪費(fèi),同時(shí)具有材料選擇面廣、模具維護(hù)費(fèi)用低和二次工藝開發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn);②個(gè)性化程度高,大量活動(dòng)鋼針可以構(gòu)建任意顱骨形面,從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化;③力學(xué)性能好,采用高壓注塑方式可以使成形件致密,保證成形件具有與PEEK相似的力學(xué)性能。

圖1 光固化3D打印多點(diǎn)柔性注塑工藝技術(shù)路線

針對(duì)以上所述成形原理,工藝流程如圖1所示:①制作快報(bào)速成型模型(原模),利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)顱骨樹脂模型,并用光固化3D打印技術(shù)制作;②固定原模,對(duì)原模添加注塑流道和定位工藝結(jié)構(gòu),固定于多點(diǎn)注塑模具內(nèi);③靠模構(gòu)形,通過靠模構(gòu)形的方式,用方形鋼針群構(gòu)建柔性模具內(nèi)表面;④替換導(dǎo)氣口,用相同規(guī)格的圓形黃銅管替換部分方形鋼針作為導(dǎo)氣口,并將其引導(dǎo)至外夾板澆注口處,同時(shí)對(duì)鋼針組進(jìn)行鎖緊;⑤填充低溫合金,合上外夾板,澆注熔點(diǎn)為75 ℃的低溫合金(錫鉍合金),對(duì)模具進(jìn)行定形;⑥取出原模;⑦合模注塑,制得所需PEEK顱骨模型毛坯件,其中注塑溫度為370 ℃,注塑速度為注塑機(jī)的最大注塑速度Vmax的70%,注塑壓力為12 MPa,采用13 MPa保壓2 s;⑧打磨,待冷卻后取出毛坯件,通過仿形研磨去除模型臺(tái)階效應(yīng),制得所需的個(gè)性化PEEK顱骨模型。

2 模具結(jié)構(gòu)

針對(duì)上述工藝過程,開發(fā)了相適應(yīng)的硬件設(shè)備,模具結(jié)構(gòu)拆解圖和實(shí)物圖如圖2所示。

(a)模具結(jié)構(gòu)拆解圖

(b)模具實(shí)物圖圖2 模具結(jié)構(gòu)拆解圖與實(shí)物圖

多點(diǎn)柔性注塑模具主要由外部框架和內(nèi)部模組兩部分組成,外部框架主體由以分模面對(duì)稱的兩部分共12塊鋼板拼接而成,底部設(shè)置有與注塑機(jī)連接的定位槽和定位孔。每組模具側(cè)面均勻布置有9個(gè)排列整齊的鎖緊螺栓,在模具的分模面上設(shè)置有注塑口以及流道。內(nèi)部模組由2塊活動(dòng)夾板以及2組活動(dòng)鋼針組構(gòu)成(每組鋼針組均由2 000根規(guī)格為2 mm×2 mm×80 mm的方形鋼針組成)。通過調(diào)整鎖緊螺栓可以推動(dòng)模具內(nèi)的夾板,從而完成對(duì)鋼針組進(jìn)行擠壓固定。模具兩側(cè)設(shè)置了澆注蓋板,鋼針組固定后裝上蓋板進(jìn)行低溫合金(錫鉍合金,熔點(diǎn)約為75 ℃)的填充,實(shí)現(xiàn)對(duì)模具的定形。

3 工藝實(shí)驗(yàn)

3.1 注塑實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用的顱骨模型由第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院提供[11],采用CT掃描病人顱骨缺損部分后重建顱骨內(nèi)植入物模型,如圖3所示。將原顱骨模型按1∶0.5的比例縮放,通過上述多點(diǎn)柔性注塑模具和工藝方法,使用材料為中研PEEK330G注塑料粒,制作了如圖4所示的PEEK顱骨注塑樣件,以驗(yàn)證多點(diǎn)柔性注塑工藝。

圖3 實(shí)驗(yàn)用顱骨模型

圖4 原模(左)與注塑樣件(右)比較

3.2 精度分析

精度分析在西安交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。使用的掃描設(shè)備為微米X射線三維成像系統(tǒng)(YXLON Y.cheetah),對(duì)制作完成的注塑樣品進(jìn)行三維掃描建模,然后在軟件Geomagic Studio 12上與原模進(jìn)行比對(duì),進(jìn)行多點(diǎn)柔性注塑工藝精度的檢測(cè)。偏差分析的結(jié)果如圖5所示,樣品的平均偏差為0.475～-0.409 mm,樣品的最大偏差為2.701～-2.730 mm。

(a)陽(yáng)面偏差

(b)陰面偏差圖5 注塑樣品偏差分析

(a)試驗(yàn)組1-3 (b)試驗(yàn)組2-3

(c)對(duì)照組 (d)普通注塑工藝組圖6 部分拉伸試驗(yàn)樣件實(shí)物圖

3.3 拉伸試驗(yàn)

對(duì)注塑溫度、注塑速度和注塑壓力進(jìn)行單因素分析,以檢驗(yàn)注塑參數(shù)對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響。采用多點(diǎn)柔性注塑工藝制作拉伸樣件,并對(duì)其按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040.2—2006進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。所有樣件均采用同一個(gè)多點(diǎn)柔性注塑模具,每組拉伸樣件制作3個(gè)。同時(shí)設(shè)置普通注塑工藝組,用普通鋁制注塑模具制作5個(gè)拉伸樣件,以進(jìn)行多點(diǎn)柔性注塑工藝和普通注塑工藝在拉伸強(qiáng)度上的比較,拉伸試驗(yàn)后的樣件如圖6所示。各組試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,試驗(yàn)組1-3、2-3和對(duì)照組在拉抻實(shí)驗(yàn)過程中均出現(xiàn)氣泡缺陷。試驗(yàn)組1-3、2-3和對(duì)照組在制作毛坯時(shí)有部分樣件出現(xiàn)了熔接線的情況,導(dǎo)致脫模過程中樣件在模具內(nèi)斷裂的現(xiàn)象,甚至有部分樣件在拉伸實(shí)驗(yàn)開始后不久就突然斷裂。

熔接線現(xiàn)象就是在兩股熔流在匯聚的地方,匯聚時(shí)因料頭熱量損失而不能完全熔合所產(chǎn)生的線性熔接縫。造成熔接線的原因有兩種:①注塑壓力、速度過低,料筒溫度、模溫過低,造成進(jìn)入模具的熔料過早冷卻而出現(xiàn)熔接線;②當(dāng)注塑壓力、速度過高時(shí),會(huì)出現(xiàn)噴射而造成熔接線。

表1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.4 體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)多點(diǎn)柔性注塑工藝是否滿足顱骨修復(fù)物對(duì)于生物相容性的要求,本文對(duì)所用注塑原料和注塑成形件進(jìn)行體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)。

將L929小鼠成纖維細(xì)胞種植到96孔板中,保持培養(yǎng)24 h至生長(zhǎng)階段,然后與系列體積分?jǐn)?shù)(25%、50%、75%、100%)的樣品浸提液接觸,孵育24 h。通過細(xì)胞形態(tài)學(xué)和細(xì)胞生長(zhǎng)能力評(píng)價(jià),與對(duì)照組細(xì)胞進(jìn)行比較,評(píng)價(jià)不同濃度實(shí)驗(yàn)品的細(xì)胞毒性[12]。

細(xì)胞生長(zhǎng)能力通過CCK-8試劑盒檢測(cè)完成。CCK8試劑中含有WST-8[化學(xué)名:2-(2-甲氧基-4-硝基苯基)-3-(4-硝基苯基)-5-(2,4-二磺酸苯)-2H-四唑單鈉鹽],它在電子載體1-Methoxy PMS的作用下被細(xì)胞中的脫氫酶還原為具有高度水溶性的黃色甲瓚產(chǎn)物。使用酶標(biāo)儀在450 mm波長(zhǎng)下測(cè)定浸提液的吸光度OD值,間接反映活細(xì)胞的數(shù)量,利用這一特性進(jìn)行細(xì)胞增殖分析。

各實(shí)驗(yàn)組的分組信息如表2所示,所有測(cè)試樣品在實(shí)驗(yàn)前均采用無(wú)水乙醇浸泡24 h消毒處理。細(xì)胞存活率為

(1)

式中:As為實(shí)驗(yàn)對(duì)象的OD值;Ab為空白對(duì)照組的OD值;Ac為空白孔的OD值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖表3、圖7和圖8所示。

表2 體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)分組信息

表3 注塑樣品體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(a)100%注塑原料 (b)100%注塑樣品

(c)陽(yáng)性對(duì)照組 (d)陰性對(duì)照組圖7 部分實(shí)驗(yàn)組在40倍顯微鏡下的細(xì)胞形態(tài)學(xué)觀察

圖8 體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)各組細(xì)胞存活率比較

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 精度分析

對(duì)多點(diǎn)柔性注塑工藝精度的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析:樣品的平均偏差為0.475～-0.409 mm,這個(gè)范圍涵蓋了模型90%以上的區(qū)域,其精度基本可以滿足醫(yī)用個(gè)性化顱骨植入物的要求;樣品的最大偏差為2.701～-2.730 mm,主要集中在模型邊緣。

造成這種現(xiàn)象的原因有兩個(gè):打磨去臺(tái)階的精度有限,極大地限制了多點(diǎn)柔性注塑工藝的精度;PEEK材料的硬度接近于金屬鋁,本身不規(guī)則的弧面使得打磨難度更高。

4.2 注塑工藝參數(shù)對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響

4.2.1 不同注塑溫度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響 由表1可以看出,在相同注塑速度、注塑壓力下,隨著溫度從360 ℃提升到375 ℃,注塑樣件的拉伸強(qiáng)度先下降后上升。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要原因是:在360～370 ℃,雖然樣件的拉伸強(qiáng)度下降,但變化幅度很小,均位于標(biāo)準(zhǔn)偏差以內(nèi)。由于本文采用打磨工藝,打磨過程中會(huì)去除表面堅(jiān)硬的結(jié)晶層,因此在360～370 ℃出現(xiàn)的拉伸強(qiáng)度變化可以認(rèn)為是打磨工藝差異所造成的正常數(shù)值波動(dòng)。但在370～375 ℃,樣件的拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)了較大的上升,本文認(rèn)為在370～375 ℃可能存在某個(gè)臨界點(diǎn),隨著熔體溫度上升,PEEK流動(dòng)性超過該臨界點(diǎn)后獲得提升,使熔體在模腔內(nèi)的塑化更加充分,從而使拉伸強(qiáng)度獲得了較大的提升。這也與傳統(tǒng)PEEK注塑中PEEK制品的拉伸強(qiáng)度先上升后下降的趨勢(shì)相吻合[13]。

由于試驗(yàn)條件的限制,375 ℃以上的注塑溫度對(duì)多點(diǎn)柔性注塑工藝?yán)鞆?qiáng)度的影響尚未明確。

4.2.2 不同注塑速度對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響 由表1可知,在相同的注塑溫度、注塑壓力下,隨著注塑速度的提升,注塑樣件的拉伸強(qiáng)度上升后出現(xiàn)波動(dòng)。

需要注意的是,試驗(yàn)組1-3、2-3和對(duì)照組所出現(xiàn)的熔接線和氣泡現(xiàn)象,后續(xù)研究發(fā)現(xiàn),該現(xiàn)象并不是偶然發(fā)生的。從數(shù)據(jù)上來(lái)看,對(duì)照組的拉伸強(qiáng)度偏低,很可能受高溫、高速、高壓注塑下熔接線的影響比較大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是:如圖9所示,當(dāng)注塑速度較低時(shí),熔流緩慢充盈整個(gè)形腔,空氣在熔流的擠壓作用下從導(dǎo)氣口排出,因此其他試驗(yàn)組在試驗(yàn)過程中都沒有出現(xiàn)氣泡缺陷。試驗(yàn)組1-3、2-3和對(duì)照組的試驗(yàn)條件都是高溫、高速下注塑,在注塑過程中熔流呈噴射狀地注入模腔內(nèi)。傳統(tǒng)的PEEK注塑成形要求模溫在200 ℃以上,由于試驗(yàn)條件有限,本文采用的是熱流冷模。在模溫不足的情況下,兩股熔流匯合后很可能形成熔接線,從而導(dǎo)致接合面強(qiáng)度急劇下降。同時(shí),在模腔內(nèi)熔流匯合的過程中,很可能會(huì)將形腔內(nèi)的空氣包在其中,形成氣泡缺陷,從而造成拉伸強(qiáng)度的降低。

因此本文認(rèn)為,在模溫?zé)o法滿足的條件下,多點(diǎn)柔性注塑的速度宜維持在低速,以避免氣泡和熔接線缺陷。

圖9 兩種不同注塑速度下的充模過程[14]

4.2.3 不同注塑壓力對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響 由表1可知,在相同注塑速度、注塑溫度的條件下,隨著注塑壓力的提升,注塑樣件的拉伸強(qiáng)度先下降后上升。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是:隨著注塑壓力的增加,高壓對(duì)拉伸樣件具有壓實(shí)作用,但拉伸樣件的內(nèi)應(yīng)力也隨之增加。在注塑壓力為11～12 MPa,由于本試驗(yàn)的熔體溫度很高,拉伸樣件的內(nèi)應(yīng)力基數(shù)很大,因此隨著注塑壓力上升,內(nèi)應(yīng)力提升超過了注塑壓力對(duì)拉伸樣件的壓實(shí)作用,注塑樣件的拉伸強(qiáng)度反而出現(xiàn)下降。樣件的拉伸強(qiáng)度在12 MPa處出現(xiàn)大幅下降,根據(jù)4.2.2小節(jié)的分析,可以認(rèn)為是模溫不足導(dǎo)致的熔接線問題所造成的干擾。

4.2.4 與其他PEEK成形工藝的拉伸強(qiáng)度比較 多點(diǎn)柔性注塑工藝與其他PEEK成形工藝在拉伸強(qiáng)度方面的比較如表4所示。多點(diǎn)柔性注塑工藝與普通注塑相比,其所制的樣件的拉伸強(qiáng)度有一定程度的下降。這主要是由于多點(diǎn)柔性注塑采用打磨工藝,在打磨過程中會(huì)對(duì)樣件表面的結(jié)晶層造成破壞,同時(shí)也會(huì)造成一定的應(yīng)力集中,使得其拉伸強(qiáng)度有所降低,然仍能達(dá)到70 MPa以上,可以滿足顱骨植入物對(duì)于力學(xué)性能的要求。同時(shí),由于打磨方式尚未成熟,與普通注塑相比,其所測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差比較大,因此在精度控制方面多點(diǎn)柔性注塑工藝仍有待改進(jìn)。

多點(diǎn)柔性注塑工藝與熔融沉積成形(FDM)增材制造相比,所制的樣件的拉伸強(qiáng)度更高,這主要得益于高溫高壓注塑工藝所形成的材料致密。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4.3 體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

如圖7所示,注塑原料組、注塑樣品組和陰性對(duì)照組浸提液所培養(yǎng)的細(xì)胞生長(zhǎng)都較好,數(shù)量密集,三者并沒有明顯的區(qū)別。陽(yáng)性對(duì)照組浸提液所培養(yǎng)的細(xì)胞則生長(zhǎng)不好,細(xì)胞均未分化,密度也低。

如圖8所示,注塑原料組和注塑樣品組浸提液所培養(yǎng)的細(xì)胞存活率均達(dá)90%以上,高于陰性對(duì)照組89.46%的水平。由此可得出多點(diǎn)柔性注塑工藝所使用的材料無(wú)毒,并且在注塑成形過程中沒有引入新的毒性物質(zhì)。

需要注意的是,注塑成形件浸泡液的細(xì)胞存活率相比于原料在各個(gè)梯度都要低一級(jí)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是由于采用的是熱流冷模的注塑方式,導(dǎo)致材料在冷卻過程中發(fā)生了微小的質(zhì)變。

4.4 討論

(1)目前多點(diǎn)柔性注塑工藝只能定義前、后兩個(gè)面的形狀,上、下面無(wú)法用鋼針進(jìn)行定義,因此該技術(shù)目前只適用于個(gè)性化薄板零件的注塑成形。

(2)本文采用熱流冷模的注塑方式,模溫?zé)o法達(dá)到200 ℃以上,受熔接線和氣泡問題的干擾比較大,因此與傳統(tǒng)的熱流熱模的PEEK材料注塑[13]存在諸多不一致的地方。如果模溫滿足條件,多點(diǎn)柔性注塑工藝所存在的熔接線和氣泡問題將得到改善,其拉伸樣件的拉伸強(qiáng)度的波動(dòng)也更加穩(wěn)定,由于試驗(yàn)條件的限制,該問題目前仍有待驗(yàn)證。

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)當(dāng)前加工個(gè)性化PEEK顱骨修復(fù)植入物存在機(jī)械性能不足的問題,本文提出了多點(diǎn)柔性注塑的工藝方法,制造出低成本、高性能、無(wú)毒的個(gè)性化顱骨修復(fù)植入物,可以滿足顱骨修復(fù)植入物對(duì)于精度和力學(xué)性能的要求。

(2)采用該工藝方法制作出PEEK個(gè)性化顱骨模型,并對(duì)該工藝進(jìn)行了力學(xué)性能分析、精度分析和體細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,采用多點(diǎn)柔性注塑工藝制作高性能個(gè)性化顱骨是可行的。

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(編輯 杜秀杰)

Multi-Point Flexible Molding for Personalized PEEK Skull Repair

TAN Lixin1,2,LIU Yaxiong1,CHEN Ruomeng1,HE Jiankang1, WANG Ling1,Lian Qin1,LI Dichen1,XU Guangshen2

(1. State Key Laboratory for Manufacturing System Engineering, Xi’an Jiao tong University, Xi’an 710049, China; 2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China)

Since the strength of personalized poly-ether-ether-ketone(PEEK) skull implants fabricated by material increasing manufacturing is lower than that by injection molding, a novel method of multi-point flexible molding is proposed to solve this problem by combining injection molding with material increasing manufacturing. The continuous planes are discretized, and a large number of movable square needles are used to construct the flexible molding cavity surface by means of profiling. A personalized PEEK skull blank is then fabricated by injection molding, and the personalized PEEK skull implant is fabricated after the blank is polished. It is found that the average accuracy of the skull samples is in the range from 0.475 to -0.409 mm, and the tensile strength of the samples is within 72.15 MPa and 83.26 MPa, which can meet the requirement of implant for accuracy and mechanical property. In the cell toxicity experiment, the survival rates of the cells in the raw material leach liquor and the injection sample leach liquor are detected higher than 90%, which proves that the material used in multi-point flexible molding is nontoxic, and no new toxic substances are introduced into the injection molding. So multi-point flexible molding can meet the requirement of implant for biocompatibility. The method of multi-point flexible molding can be chosen to fabricate personalized skull with lower cost and perfect performance, especially, without cytotoxicity.

personalized skull repair; poly-ether-ether-ketone; flexible mould; multi-point flexible molding

10.7652/xjtuxb201608021

2015-12-03。 作者簡(jiǎn)介:譚力新(1988—),男,碩士生;劉亞雄(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275387);陜西省特色產(chǎn)業(yè)鏈資助項(xiàng)目(2015KTTSGY03-04)。

時(shí)間:2016-05-17

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160517.1923.016.html

Q811.2

A

0253-987X(2016)08-0130-07