摘要：3D打印技术尤其是FDM（熔融沉积成型）技术由于其具有成本低，成型材料广泛等优点。3D打印材料的性能是决定产品性能的关键因素，对材料性质进行表征是决定其性能是否合适的依据。本文中对应用于FDM的线材物理性质、热性能、力学性能表征手段和研究进展进行了综述，并对应用于人工骨骼的材料应该满足的物理性质和生物特性进行了综述。
关键词：FDM技术 线材 人工骨材料 性能表征
FDM（Fused Deposition Modeling）即熔融沉积成型技术[1]，是3D打印快速成型技术的一种，其原理是将塑性材料如塑料、金属材料等加热为熔融状态，通过热熔喷头将可流动性的熔融材料挤出，并逐层固化成型。FDM技术具有以下的优点：1）打印设备构造简单，成本比较低，成型速度快[2]；2）其可以利用的成型材料种类较多，如工程塑料、金属材料、陶瓷、树脂等。因此，FDM技术是研究和应用比较成熟的一种3D打印快速成型技术，被广泛应用在模具制造、航天、医疗等领域。
在医疗领域方面，利用3D打印技术的优势正在引起科研人员广泛的关注，通过3D打印获取的人体器官、组织等已经开始临床应用并取得的阶段性研究进展。在修复人体器官时，由于个体的差异性，传统制造替代产品的方法不能重复使用，应用3D打印技术时，可以通过CT扫描建立个体器官的模型，再通过FDM技术将其利用合适的材料制造出来，这就很大程度上节约了成本，并提高了这项技术的应用范围。例如，利用3D打印技术制作的骨骼已经开始临床应用[3]，相对于其他修复方法来说，能够准确复制损伤骨骼，并且采用可降解材料制作的骨骼，其植入人体之后，可以促进自身骨骼生长，同时植入的骨骼会被分解并吸收，达到真正修复的效果。所以说3D打印技术尤其是FDM技术在医疗方面应用前景十分广泛。
在3D打印应用中，打印材料的选择是决定产品的关键因素。选择合适的材料以直是相关研究人员进行探索的重点。本文通过总结现阶段对应用于FDM打印的线材性能表征手段，并着重分析了用于人工骨打印的材料相关表征手段。
1．3D打印线材性能表征
1.1物理性质
材料的物理性质包括线材的直径、密度、分子量以及收缩率等性质。
通常情况下，线材直径需要满足3D打印机打印材料入口直径要求，通常采用的直径有3.00mm或者1.75mm。线材的直径可以在挤出成型过程中通过激光测径仪来测量并记录，在成型过程中应当确保线材直径的稳定性。
若成型材料收缩率较大，在FDM工艺成型应用时会产生内应力, 使零件产生形变甚至导致层间剥离和零件翘曲；若支撑材料的收缩率较大，会影响材料的支撑作用，影响材料的成型精度。一般来认为材料的收缩率应当比较小才能应用于3D打印技术[4]。
对于医用高分子材料打印的支架或者器官来说，通常认为材料的分子量是影响其力学性质的主要因素，例如利用高分子量的PLA线材为原料的3D打印产品力学性质相对低分子量材料打印产品较好，经过研究分析得到，PLA材料在应用中，当其分子量高于600 g /mol时才可以达到较好的力学性质和应用效果[5]。
1.2热性能
1、差示扫描量热分析：通过对材料进行差示扫描量热（DSC）分析，得到其DSC曲线，从而可以得到材料的熔点、沸点、玻璃化转变温度等参数，即得到了材料应用于3D打印机的温度设置参数信息。
2、热重分析：是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，可用来研究材料的热稳定性和组份。
3 DMA分析：测量粘弹性材料的力学性能与时间、温度或频率的关系。样品受周期性（正弦）变化的机械应力的作用和控制，发生形变。
4熔体流变性分析：是指为了确保成型材料在3D打印机里能够顺利流动，而对熔融材料的流动状态进行分析的方法。通常采用理论方法或者有限元分析方法，后者借助模拟软件如ANSYS进行分析，模拟熔融体在进行3D打印过程中流动状态参数。
1.3力学性能
1拉伸强度：（tensile strength）是指材料产生最大均匀塑性变形的应力。在拉伸试验中，试样直至断裂为止收到的最大拉伸应力即为拉伸强度，其结果以MPa表示。同时可以获得拉伸断裂应力、拉伸屈服应力、断裂伸长率等数据。
2 弯曲强度：（bending strength）又称抗弯强度，是指材料在弯曲负荷作用下破裂或达到规定挠度时能承受的最大应力。抗弯强度通常釆用三点抗弯法测量，四点抗弯法由于要加载两个力，应用比较少。抗弯强度对孔隙率敏感，随着孔隙率的减小而增大。
3 冲击强度：（impact strength）是衡量材料韧性的一种指标，通常定义为试样在冲击载荷的作用下折断或折裂时，单位截面积所吸收的能量。
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2骨骼材料的性能表征
2.1材料的物理参数
支架材料力学性质、孔隙分布等物理性质对生物材料的应用效果产生很大影响，尤其是对细胞的信号表达和分化的影响十分显著。经过研究分析发现，渗透性较高，孔道分布较广，力学强度较高的材料成型的的支架对于骨细胞的信号表达会产生十分积极的影响。
曹世晴[6]等研究了不同SA含量的PBTIS材料的冲击强度数据，根据分析结果可知，随着材料中SA组分含量升高，其冲击强度呈现明显的上升趋势，这可能是由于作为长链碳脂肪酸的SA，当其添加入PBTIS中时，随着其含量升高导致了混合材料中刚性组分和柔性组分的比例变化所致。
成都新柯力化工科技有限公司利用低温微细反应技术，通过利用低温粉碎混合反应技术，对聚乳酸进行改性处理，对聚乳酸的韧性、冲击强度和热变形温度都有很大程度的提高，使聚乳酸在3D打印材料中具有更加广阔的应用前景[7]。
李祥等[8]采用电子束融化（EBM） 技术制备了了多孔蜂窝状结构的Ti-6Al-4V 骨科植入体，并进行了孔隙结构、孔隙率、力学性能的测试分析，结果证明虽然成型整体发生了约15%收缩，但EBM 技术成型的骨骼能够与设计模型相吻合，说明可以通过此项技术精确制备特性形体以及孔隙分布的骨骼替代品。该材料的孔隙率为61. 5% ，抗压强度为172 MPa，弹性模量为3.1 GPa，与人体骨骼的性质十分接近。经过一系列相关研究分析表明，EBM技术在骨科医疗方面存在比较广阔的应用前景。
2.2生物相容性
对于医疗应用支架材料来说，最基本的要求是要与生物体具有相容性，即材料的生物相容性。具体来讲包括两个方面：一是宿主反应，即支架材料对活体组织的作用。作为细胞外基质(extra cellular matrix，ECM)替代物的材料必须无毒性，不能对机体产生毒害作用，且不能引起机体的排异作用；二是材料反应，即生物体对替代材料的作用，主要表现为材料在生物环境中的腐蚀、降解和吸收。
PEEK具有优异的耐磨性、生物相容性、化学稳定性以及其杨氏模量与人骨十分接近等优点，是一种应用于人工骨的理想材料。基于FDM（熔融沉积成型）的3D打印技术可以准确、快速复原骨骼，且实现成本较低，实现了利用PEEK材料制造人工骨。在国内，吉林大学研究人员在PEEK材料制造人工骨的领域具备了比较成熟的经验，具有多项专利，例如专利CN103707507A公开了一种PEEK材料应用于3D打印制备人工骨的方法 [9]。
浙江大学王权研究了海藻酸钠/羟基磷灰石支架，在此材料中添加了Atsttrin蛋白，能够有效促进生物体自身骨骼的修复。经过分析与生物学检测，证明了该支架具有较好的生物相容性[10]。
Schantz等[11]以聚已内酯和磷酸钙混合物为支架材料，通过熔融层积成型技术制备聚已内酯-磷酸钙支架，该混合支架降解速率和力学强度较单纯聚已内酯支架明显提高。
结语
3D打印骨骼的力学性能乃至生物相容性与材料的宏观结构和微观结构直接相关，其中主要包括材料的表面粗糙度、表面能、孔径、内连接径和孔隙率等因素，改变材料的结构将影响到材料的综合性能。通过提高材料的力学性能以及生物性能是3D打印材料研究主要方向。
3D打印技术在人工骨骼应用方面已经有很多成功的临床实例。基于FDM（熔融层积成型法）打印人工骨技术也已经日趋成熟和完善。然而FDM技术制备成型的骨骼在精度还需进一步提高，所以为了打印性能更加优越的人工骨，FDM打印机性能的提升也是必要的。在实践应用中，需要综合考量3D打印材料的物理性质和生物学性质。
参考文献
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[9]吴文征,赵继,姜振华等.聚醚醚酮仿生人工骨的3D打印制造方法:中国,103707507 A[P].2014-04-09.
[10]王权. 3D打印海藻酸钠/羟基磷灰石水凝胶复合Atsttrin蛋白用于骨缺损修复的研究[D].浙江:浙江大学，2015.
[11]Schantz.J, Brandwood.A, Hutmacher.D. et al. Osteogenic differentiation of mesenchymal progenitor cells in computer designed fibrin-polymer-ceramic scaffolds manufactured by fused deposition modeling[J].Journal of Marerials Science: Materials in Medicine,2005(16):807-819.
论文作者:崔晓龙,马婧
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第09期
论文发表时间:2019/9/10
标签：材料论文; 技术论文; 骨骼论文; 支架论文; 孔隙论文; 性能论文; 线材论文; 《当代电力文化》2019年第09期论文;