由外傷、腫瘤切除等引起的骨缺損需要通過手術在患者體內植入人工骨植入物來進行治療,全球每年進行超過220萬例的骨植入手術以重建各類骨缺損

。鈦合金植入物因力學性能優(yōu)異得到廣泛應用,但因其彈性模量與骨骼相差較大而造成的應力遮擋會導致骨質疏松,此外還存在生物惰性、表面生物活性不佳等不足

。以羥基磷灰石(HA)為代表的生物陶瓷材料植入物的生物活性和骨整合能力好,但脆性較大

。聚乙烯、聚乳酸等高分子材料植入物加工成型方便,但機械性能較低

。

聚醚醚酮(PEEK)是一種半結晶高分子材料,具有機械性能優(yōu)異、生物相容性好、X線可透過性等特點,尤其是PEEK的彈性模量與正常人體骨組織更為接近,可以減弱或消除應力遮擋效應

。自上世紀90年代開始PEEK逐漸成為骨科內植入物研究的熱點材料之一,是脊柱、關節(jié)和創(chuàng)傷等領域中非常有前景的內植入物材料。純PEEK是生物惰性材料,不利于成骨細胞的黏附增殖,骨整合性欠佳,在一定程度上抑制了其在骨植入物方面的應用

。HA是人體骨骼和牙齒的主要無機成分

,具有良好的生物活性和骨傳導性,能與人體骨組織形成牢固的骨整合。將PEEK與HA混合制備復合材料,可以在保持骨植入物良好機械性能的同時提高其生物活性,有利于與人體組織結合,增加遠期骨整合性能。

3D打印骨植入物具有更高的設計自由度和更少的原材料浪費,結合CT、MRI獲取患者的個體數(shù)據(jù),利用CAD技術在術前為患者準確設計定制化的骨植入物,再利用3D打印實現(xiàn)多種材料、多層次結構的宏微一體化制造,能夠實現(xiàn)對骨植入物形狀和性能的精確控制

。

PEEK及其復合材料材料的3D打印逐漸被關注,目前主要采用激光選區(qū)燒結(SLS)和熔融沉積成型(FDM)進行打印

。SLS精度較高、能夠制備具有內部連通微孔的點陣結構,但大多數(shù)SLS設備在成形過程中不能使用多種材料打印,對有增強相的PEEK復合材料的3D打印不易實現(xiàn)。大部分FDM設備使用絲材,可以使用預先加入HA、碳纖維等增強相預制的復合材料絲材進行打印

,是一種非常適宜制備復雜形狀的復合材料骨植入物的3D打印方法。

與傳統(tǒng)注塑模具成型不同

,3D打印過程是材料逐漸累積的過程,打印件的性能受到打印過程中的多種參數(shù)因素影響,打印件的性能與原始材料的性能存在差別

。本文采用FDM法打印了HA質量分數(shù)為10%的PEEK/HA復合材料試樣,對填充方向、打印速度、分層厚度和打印溫度等4個重要因素對試樣性能的影響規(guī)律進行了研究。

對于美國固瑞克（Graco）公司來說，數(shù)據(jù)的收集及利用是其展出的PulseTM流體處理系統(tǒng)最主要的優(yōu)勢之一，這不僅與當下最熱門的智能制造概念契合，也可以讓用戶全面、清晰地了解到在汽車維護保養(yǎng)業(yè)務鏈上所發(fā)生的一切與數(shù)據(jù)有關的趨勢，為用戶帶來高效便捷體驗的同時，PulseTM流體處理系統(tǒng)已獲得了眾多業(yè)內客戶的認可。所以，固瑞克公司希望通過Automechanika?Shanghai將頂尖的產品、技術及品牌展示給汽車后市場及維修制造群體。

1 正交試驗設計

對于有承重需求的人工骨植入物,力學性能是保證其承載能力的關鍵,而不同因素的參數(shù)組合對3D打印樣件力學性能的影響也不相同,以拉伸強度和彎曲強度為評價標準,采用

(3

)為表頭設計四因素三水平的正交試驗來確定最優(yōu)打印參數(shù)。表1列出了9次試驗的4個因素在3個水平的組合形式,其中因素A、B、C、D分別代表填充方向

、打印速度

、分層厚度

和打印溫度

,各因素水平取值范圍根據(jù)前期單因素研究的結果確定,試驗因素水平表如表1所示。

2 力學試驗

2.1 試樣制備

采用ENGINEER Q300打印機制備拉伸、彎曲試樣,PEEK/HA絲直徑為1.75 mm的打印機自帶絲材。HA含量越高,PEEK/HA復合材料的生物活性越好,但HA含量的增加會降低復合材料的力學性能。本研究采用了常用HA質量分數(shù)為10%的PEEK/HA復合絲材,打印前將絲材在80 ℃的烘箱中干燥。根據(jù)GB/T 1040—2018制備拉伸試樣,拉伸試樣的填充方向、試樣尺寸如圖1所示。根據(jù)GB/T 9341—2008制備彎曲試樣,彎曲試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm,每組均打印3個試樣。

2.2.2 極差分析

填充方向為90°時,拉伸載荷方向與填充方向垂直,如圖10(c),與拉伸載荷方向垂直的長條狀孔隙導致力線不連續(xù),力由沉積線間連接的狹窄結合部傳遞。由圖4(c)可以看出,試樣9在

點對應的時刻,中部有很窄的紅色應力集中區(qū)域,應力集中程度比填充方向為45°時大,在短時間內斷裂。

2.2 拉伸試驗

2.2.1 拉伸試驗與動態(tài)應變測量

維持結晶巖孔壁巖層應力平衡需要的鉆井液液柱壓力為坍塌壓力，應力平衡關系同式(3)。由于結晶巖強度高，抗剪切強度高、塑性變形小，其坍塌壓力低，在中深井條件下，結晶巖一般都能滿足該要求。

正交試驗的拉伸強度結果如表2所示,拉伸試樣應力應變曲線如圖3所示。采用全場應變測量分析系統(tǒng)得到了試樣在拉伸過程中的應變分布云圖,圖4所示為與試樣應力應變曲線上的

、

、

、

這4個時刻相對應的應變云圖。

壩體填筑標準合理，壩體填筑方式、碾壓參數(shù)、質量控制措施合適。檢測的壩體填筑壓實密度等滿足設計要求。壩體填筑質量合格。

表3為拉伸強度極差分析結果,

表示某水平各因素所對應的綜合分之和除以水平總數(shù);極差為

的最大值與最小值之差。各因素的影響程度由大到小依次為打印速度、填充方向、分層厚度、打印溫度。

奶牛春秋兩季配種受胎率最高，而夏季最低，這是由于熱應激影響精子的成熟和精液成分，造成公牛性欲低下。另外，影響母牛卵細胞的分化、發(fā)育、著床，發(fā)情頻率明顯下降。

2.2.3 方差分析

圖5所示為各因素不同水平對拉伸強度的影響關系,最優(yōu)參數(shù)組合為A1B1C2D3,即填充方向為0°、打印速度為20 mm/s、分層厚度為0.2 mm、打印溫度為440 ℃。因該參數(shù)組合不在正交表的9組參數(shù)內,所以采用此最優(yōu)參數(shù)補充打印了試樣(標記為第10組參數(shù))進行驗證,試樣10的拉伸強度為69.63 MPa,高于其他9組,與人的皮質骨拉伸強度相當

。

許沁的拋光部在凌源，一個五層樓民房的底層。拋光部不大，就一個大車間，有幾排水泥大理石砌成的臺面，安放著十來臺拋光機。十來個男員工戴著單薄的頭罩和灰不溜秋的口罩，舉著小五金，對著拋光機上的砂輪打磨。

對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析,拉伸性能顯著性分析如表4所示,可知填充方向、打印速度和分層厚度的Sig值均小于0.01,表明這幾個因素對結果影響高度顯著,打印溫度的Sig值在0.01～0.05之間,表明影響顯著,對拉伸強度影響的顯著程度由大到小依次為打印速度、填充方向、分層厚度、填充方向。

2.3 三點彎曲試驗

各因素對拉伸強度的影響程度由大到小依次為打印速度、填充方向、分層厚度、打印溫度。試樣受力分析如圖10所示。由圖10(a)可知,填充方向為0°時,拉伸載荷方向與填充方向平行,沉積線像一束平行纖維承受拉伸載荷。長條狀孔隙降低了試樣的截面積,但對載荷“力線”的阻斷作用小,試樣10表現(xiàn)出了良好的塑性。

應力應變曲線如圖6所示,正交試驗彎曲強度如表5所示。與試樣應力應變曲線上的

、

、

、

這4個時刻相對應的應變云圖如圖7所示。

由圖6可知：當仿真條件改變后傳統(tǒng)的自抗擾控制有抖動且大于基于arsh函數(shù)的自抗擾控制，基于arsh函數(shù)的自抗擾控制和基于fal函數(shù)的自抗擾控制相比響應時間更小，魯棒性更好。

2.3.2 極差分析

表6為彎曲強度極差分析結果,對彎曲強度的影響程度由大到小依次為填充方向、打印速度、分層厚度、打印溫度。圖8為各因素對彎曲強度的影響關系,最優(yōu)參數(shù)組合為試樣4:A2B1C2D3,即填充方向為45°、打印速度為20 mm/s、分層厚度為0.2 mm、打印溫度為440 ℃。填充方向對彎曲強度的影響最大,且在填充方向45°時為最優(yōu)水平。

2.3.3 方差分析

影響高速列車平穩(wěn)運行的因素一大部分上為脫軌問題。而隨著速度的不斷提高。脫軌問題也變得越來越重要。而影響脫軌問題的主要因素則為橫風氣動的影響。而高速列車的側向力系數(shù)隨著傾斜的角度的變大而變打大，當處于相同的傾斜角時，列車的頭尾的側向力系數(shù)明顯大于中間非動力車的傾向力系數(shù)，這就是為什么一輛列車的頭尾的形狀不同于中間車廂的形狀，且列車頭尾的流動性更高，最大縱剖面輪廓線曲率較大，而更平緩的流線型使得頭部縱向長細比系數(shù)越小，這就是為什么越高速的列車，其頭部越類似于子彈的形狀。

拉伸試樣斷面掃描電鏡圖如圖11所示,圖11(a)顯示試樣的斷口相對平整。填充方向為45°時,拉伸載荷方向與填充方向呈45°,拉伸載荷的力線不連續(xù)。圖4(b)的應力應變曲線上

、

點對應的時刻,試樣中部出現(xiàn)了45°分布紅色的應力集中區(qū)域,應力集中程度比0°時大,如圖4(a),表明填充方向為45°時對力線有切斷作用,圖11(b)所示的試樣斷口有參差不齊的斷層。

2.4 內部缺陷分析

打印件內部的微觀缺陷,是3D打印存在的共性問題,內部微觀缺陷會影響打印件的力學性能。采用微米X射線三維成像系統(tǒng)(y.catotah,YXLON,德國)對試樣內部孔隙缺陷進行了分析,選取位置及內部缺陷分布情況如圖9所示。

缺陷形式為平行于掃描方向的長條狀孔隙,處于沉積線的交接處,破壞了試樣內部結構的連續(xù)性,使結合界面成為連接最薄弱的部位,在受力過程中容易失效。

3 力學試驗結果分析

3.1 拉伸試驗結果分析

2.3.1 三點彎曲試驗與動態(tài)應變測量

彎曲試驗的方差分析結果如表7所示。填充方向、打印速度的Sig值均小于0.01,說明對結果影響高度顯著,分層厚度、打印溫度的Sig值在0.01～0.05之間,影響顯著。對彎曲強度影響的顯著程度由大到小依次為填充方向、打印速度、分層厚度、填充方向。

利用萬能力學試驗機(瑞格爾3005T)分別進行單軸拉伸和三點彎曲試驗,加載速度為2 mm/min。在進行拉伸和彎曲試驗的同時,使用三維全場應變測量系統(tǒng)(新拓三維XTDIC)對被測試樣進行動態(tài)應變采集,此系統(tǒng)有兩組攝像機進行動態(tài)數(shù)據(jù)采集,每組各有一對攝像頭,試驗前對試樣噴漆形成斑點,試驗裝置如圖2所示。

3.2 彎曲試驗結果分析

各因素對彎曲強度的影響程度大小依次為填充方向、打印速度、分層厚度、打印溫度。彎曲試樣斷面掃描電鏡圖如圖12所示,填充方向為0°時,由圖12(a)可知,試樣斷口上半部因受壓相對緊密,下半部受拉使沉積線截面變細,孔隙擴大。試樣1的應變云圖可知其底面有矩形的應力集中區(qū)域。

填充方向45°時,應變云圖顯示試樣4底面有較窄的紅色應力集中區(qū)域,側邊有傾角,試樣底面沉積線間有45°的裂紋。圖12(b)所示的斷口表面形貌參差不齊。圖12(c)所示的試樣斷口可見明顯的分層,沉積線間的連接部分撕裂形成刀刃狀。

填充方向90°時,試樣9在應力應變曲線的d點時刻,試樣底面有較窄的紅色應力集中區(qū)域。試樣正面中線處有一條沿試樣長度方向分布的紅色應力集中區(qū)域,與試樣中性層相對應,試樣在底面應力集中區(qū)域斷裂,在正面紅色應力集中區(qū)域產生了層間剝離。圖12(d)可知,斷面下半部有刀刃狀特征,上半部被擠壓,沒有出現(xiàn)刀刃狀形貌。

菌株充分活化后，以1%接種量接種于LB培養(yǎng)基中，37 ℃，180 r·min-1振蕩培養(yǎng)，取100 μL致病菌(調整菌液濃度為1×107 CFU·mL-1)涂布于LB平板上，待平板表面干燥后，平穩(wěn)放置3個牛津杯，向牛津杯內分別加入200 μL的荷葉發(fā)酵上清液，37 ℃培養(yǎng)20 h后，測量抑菌圈大小。

4 細胞黏附與增殖試驗

打印10 mm×10 mm×1 mm的PEEK/HA試樣進行細胞黏附試驗和細胞增殖試驗,細胞黏附及增殖試驗結果如圖13所示。分別在1、3、5、7天對細胞試驗的試樣進行處理后用掃描電鏡觀察,發(fā)現(xiàn)隨著試樣表面MC3T3-E1細胞培養(yǎng)時間的延長,材料表面的細胞數(shù)量增多,分泌的基質和鈣化顆粒增多。第7天時,1 000倍掃描電鏡下可觀察到MC3T3-E1細胞在材料表面黏附生長,細胞鋪展良好,細胞分泌出大量基質,如圖13(a)所示。2 000倍電鏡下可觀察到細胞伸出偽足和表面分泌的鈣化顆粒,細胞生長增殖良好,且已有細胞在材料表面出現(xiàn)細胞重疊生長,說明PEEK/HA材料的生物相容性良好,如圖13(b)所示。

5 結 論

對PEEK/HA復合材料3D打印參數(shù)進行了優(yōu)化,研究了4個關鍵因素對試樣力學性能的影響規(guī)律,得出如下結論。

(1)各因素對拉伸強度的影響程度由大到小依次為打印速度、填充方向、分層厚度、打印溫度。優(yōu)化的結果是:填充方向0°、打印速度為20 mm/s、分層厚度為0.2 mm、打印溫度為440 ℃時拉伸強度最高為69.63 MPa。

這道練習題的精妙之處在于將周長置于圖形的背景之中，利用形狀、面積對周長產生干擾后準確找出周長并進行比較，以考查學生對周長意義的真正理解。在實際教學中，當學生第一眼看到這幅圖時，從心理學角度來看，面積大小、形狀是屬于強刺激，而周長則屬于弱刺激，所以最先反應在學生頭腦中的是甲、乙兩個圖形的形狀和面積的差異，而周長在學生頭腦中的反應是滯后的。本題在設計時就是借助這個原理，使學生對周長辨別造成干擾甚至誤導，如果學生對周長內涵的理解不透徹就很容易填錯，因此從習題設計意圖以及長期受教師青睞這個角度來講，這堪稱是一道經(jīng)典好題！如果作為一道檢測題，同樣也是一道可以有效檢測學生對周長概念理解程度的好題。

(2)各因素對彎曲強度的影響程度由大到小為填充方向、打印速度、分層厚度、打印溫度。優(yōu)化的結果是:填充方向45°、打印速度為20 mm/s、分層厚度為0.2 mm、打印溫度為440 ℃時制備的試樣彎曲強度為99.5 MPa。

(3)利用優(yōu)化參數(shù)打印的PEEK/HA試樣的力學性能與人皮質骨相當。細胞黏附和增殖試驗的結果表明,PEEK/HA復合材料具備了良好的細胞相容性,是一種良好的人工骨植入物材料。

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