【《生物陶瓷材料增材制造技术发展研究的文献综述》3800字】

生物陶瓷材料增材制造技术发展研究的文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u861生物陶瓷材料增材制造技术发展研究的文献综述 1255341.1原料状态为陶瓷粉体的增材制造技术 2265731.2原料状态为陶瓷线材和片材的增材制造技术 3246411.3原料状态为陶瓷浆料的增材制造技术 4195651.4小结 6增材制造技术（AdditiveManufacturing，AM），又被称作3D打印技术ADDINNE.Ref.{8C365B63-4A39-44D5-9979-D4F092144AE2}[41]，是集数字控制技术、激光成型技术、三维CT扫描建模技术、计算机辅助设计/制造技术（CAD/CAM）、高精度成型技术为一体的现代工业制造技术。通过一种“自下而上”的累加原理ADDINNE.Ref.{058AB1E4-C68E-4801-A766-079E9AC3FE66}[42]，如图1.3所示，按照事先设计好的CAD模型，根据相应的处理工艺对原料进行从点到线、从线到面、从面到体的堆积，最终制造出完整的三维器件。这种加工成型技术获得的三维器件尺寸精度高、无需后续切削加工处理，达到了“近净成型”，并且可以实现任意复杂结构的制备，为高分子、金属、陶瓷等各类材料的制造提供了崭新的途径。图1.3增材制造技术“自下而上”的累加原理图目前，陶瓷材料的增材制造技术主要分为非直接增材制造技术（IndirectAM）和直接增材制造技术（DirectAM）两大类。其中直接增材制造技术由于无需模具、节省中间环节、使用灵活方便等优势，相比非直接增材制造技术来说具备更广阔的研究价值与应用前景。直接增材制造技术按照陶瓷原料的状态可分为三大类。如下表1.3所示：表1.3陶瓷材料增材制造技术陶瓷原料状态直接增材制造技术粉体SLS、3DP、SLM线材和片材FDM、LOM浆料DIW、DLP、TPP其中，有报道以生物陶瓷为原料的增材制造技术有SLS、3DP、LOM、DIW、DLP等，下面将着重介绍这几种增材制造技术。1.1原料状态为陶瓷粉体的增材制造技术选择性激光烧结（SLS）选择性激光烧结（Selectivelasersintering,SLS）最早是在1986年由德克萨斯大学奥斯汀分校的Deckard提出ADDINNE.Ref.{CCE1B549-8D39-4686-A893-2074BB47C6F1}[43]。该技术是通过将激光束按照计算机指定的路径扫描，使工作台上平铺的一层粉末原料熔融、黏结固化，完成一层工作后，工作台下降一个层高的距离，铺上一层粉末原料，按预定路径继续扫描，按照这种工作原理逐层烧结，并出去疏松的多余粉末，最终获取所需的三维多孔支架，其基本工作原理示意图ADDINNE.Ref.{66B8ABA7-B0B2-43C1-BA12-AF3C247B064C}[44]如图1.4所示：图1.4SLS工作原理示意图SLS工艺的优点是加工速度快，效率高，且不需要使用支撑材料。但这种工艺的缺点也十分明显：制造的支架表面较粗糙；制备过程中持续的高温可能造成高分子材料的降解，生物活性分子的变形，或细胞的凋亡；对于微孔结构的制造，支架内部会有粉末原料残留等ADDINNE.Ref.{2A49F95C-FDA0-4A26-8CCE-B43265950A3A}[45]。中南大学的帅词俊教授课题组ADDINNE.Ref.{B9396621-3B8D-4BF7-A8B4-9B74F8C85814}[46,47]以生物玻璃、镁黄长石等生物活性陶瓷材料为原料，通过SLS工艺成功制备了三维多孔骨修复支架，并且制备的支架孔隙均匀分布，但是精度较低，无法制备较小的孔隙。Feng等ADDINNE.Ref.{3B6BA610-87F8-4298-B705-686068C487D1}[48]人以β-TCP为原料，成功的利用SLS技术制备了孔径为1200μm的三维多孔骨修复支架，并且通过掺杂ZnO的方式显著改善了支架的力学性能和生物活性，与纯β-TCP支架相比，掺杂后的支架孔隙精度也有所提高。三维打印技术（3DP）三维打印技术（Three-dimensionprinting,3DP）是通过将陶瓷粉体平铺在工作台上，然后喷头按照预定的路径喷出粘结剂，使得陶瓷粉体和粘结剂混合固化，一层工作结束后，工作台下降一个层高的距离并重复之前步骤，最终层层粘结固化得到陶瓷生坯，并除去多余的疏松粉体，再经过排胶烧结得到陶瓷器件，其基本工作原理示意图如图1.5所示：图1.53DP工作原理示意图ADDINNE.Ref.{67F9C5D4-470C-4807-8858-3AD44E245314}[49]3DP工艺的优点是在设计和制备过程中不需要添加支撑，可以灵活的实现各种几何图形，并且针对多种陶瓷材料都已实现商业化，适合制备多孔陶瓷材料ADDINNE.Ref.{2115F3B3-8625-4294-B036-B223D5F5E315}[50]。TarafderADDINNE.Ref.{95DA0286-D6BD-4936-8EA9-6099F1DA6375}[51,52]及VorndranADDINNE.Ref.{B0D1B529-9C0D-4743-9215-B2659382B9FB}[53]等人都已通过3DP技术制备了孔径在350μm-500μm之间的生物陶瓷支架，其精度相较于SLS有了较大的改进，但同时3DP工艺也存在不足之处：该工艺加工的器件表面光洁度差，致密度和力学性能低ADDINNE.Ref.{37114665-7E39-4810-B8C6-E093C8396404}[50]，通常需要进行后续的处理才能实现高致密陶瓷的制备。1.2原料状态为陶瓷线材和片材的增材制造技术叠层制造（LOM）叠层制造（LaminatedObjectManufacturing,LOM）最早由KuniedaADDINNE.Ref.{659180A7-47E6-4A30-92B5-2F1078CE332C}[54]于1984年提出，该工艺按照预先设定好的CAD模型，将准备好的陶瓷薄片进行切割，再将处理后的陶瓷薄片通过实时加热、粘结或机械压缩等方式进行层间组合，最终形成3D零件，其基本工作原理示意图如图1.6所示：图1.6LOM工作原理示意图ADDINNE.Ref.{2F3F517E-B349-4DBD-BBC4-FEEBAC31B212}[49]LOM工艺的优点是由面到体的制造，整个工艺过程可以在室温下进行，效率高。尽管LOM工艺声称可以制备复杂结构的样件，但是其制造主要仍集中在大型、简单的器件上，技术和应用进展缓慢，并且无法满足未来陶瓷样件小型化、精密化的要求。1.3原料状态为陶瓷浆料的增材制造技术墨水直写打印技术（DIW）墨水直写打印技术（Directinkwriting,DIW）通过将陶瓷粉体溶剂、粘结剂混合成浆料或者膏料，根据计算机模型控制喷头进行X-Y轴的平面运动，浆料通过挤压作用挤出完成沉积成型，每完成一层的沉积，平台向下移动一层，逐层完成设计的三维模型ADDINNE.Ref.{E105B8C4-50D9-4CE8-952E-E905F7720ADB}[55]。完成三维模型后再通过高温排胶、烧结得到所需陶瓷器件，其基本工作原理图如图1.7所示：图1.7DIW工作原理示意图ADDINNE.Ref.{D98C8141-8D9A-45E1-9D84-29CD1A62A633}[49]DIW工艺的优点是简单方便、可打印复杂结构、打印成本低并且不受浆料颜色限制。SiamakEqtesadi等ADDINNE.Ref.{E1B8A11E-E299-46F3-B962-05CEF87040C5}[56]报道了通过向13-93生物玻璃中添加羧甲基纤维素钠（CMC）作为粘结剂，制备了高固含量、低粘度的生物陶瓷浆料，并通过DIW技术成功打印了生物玻璃的三维支架，经过烧结后，支架保持良好形状的同时具备较高的力学性能和生物活性。但是，由于该工艺具有无法打印高精度模型，打印速度慢，对浆料粘度要求高等缺点，不适用于批量精密构型的打印。数字光处理成型（DLP）数字光处理技术(DigitalLightProcessing,DLP)是使用投影设备将三维模型的切片图案投影到透明的料槽底部，加以特定波长的光源曝光，使得浆料逐层固化，通过计算机控制成型台与料槽底部的距离使得光固化每层厚度一致，并在固化后逐层向上提拉，得到陶瓷生坯，再将成型后的陶瓷生坯进行高温排胶、烧结，最终得到致密的陶瓷构件。其基本工作原理示意图如图1.8所示：图1.8DLP工作原理示意图ADDINNE.Ref.{F6FB6833-A1F8-4B94-A187-98A12CE85A16}[49]DLP技术的优点是打印速度快、精度高、打印质量稳定，适用于各种复杂构件，其成型精度可达几微米，不过该技术的缺点是对设备、浆料要求较高。理想的DLP浆料要求具备高固含量、低粘度、对光散射弱等条件。由于生物陶瓷材料一般纯度低、各种杂相含量高，因此制备的浆料光散射强度较大，容易造成堵孔、毛边等问题，无法满足高精度模型的打印。为了满足DLP高精度打印的要求，目前已报道的文献中主要通过两种途径来解决。一种是改变打印工艺参数，如降低曝光时间、降低光源强度、提升曝光速度等，这些手段可以减少曝光时的额外固化宽度，提升打印精度。Zhou等ADDINNE.Ref.{B27F605B-99D1-4448-96F9-4A5DF6081B02}[57]人通过提高曝光速度、降低曝光能量，使得打印样品在曝光过程中额外固化宽度下降，样品尺寸精度提升，成功制备了高精度的陶瓷样品。另一种途径是改变浆料属性，生物陶瓷浆料通常对光吸收能力弱，相同的光强下光散射能力强，因此容易产生较大的额外固化宽度，影响精度。国内外研究学者大多采用向浆料掺杂着色剂的方式来提高浆料吸光度，降低光散射，提高成型精度。Wu等通过向β-TCP陶瓷浆料中添加石墨粒子作为着色剂，提高了浆料的吸光度，降低了光散射，提高了打印成型精度，其中不同石墨含量的TCP支架的实物图和SEM图分如图1.9、图1.10所示。SusanP等ADDINNE.Ref.{26BEB168-59FE-4125-86A5-B8AEE0A86B04}[58]通过采用部分惰性溶液代替光敏树脂，提高了浆料的固化能量，相同光强下增加了吸收能量，降低散射能量，制备了高精度的三维多孔支架。图1.9不同碳含量TCP支架实物图图1.10不同碳含量TCP支架SEM图1.4小结对以上几种生物陶瓷增材制造技术原料状态、工艺特点等进行汇总，如下表1.4所示：表1.4生物陶瓷增材制造工艺汇总工艺名称陶瓷原料状态工艺优势工艺劣势SLS粉体加工速度快、效率高表面粗糙、工艺过程温度高、打印精度低3DP粉体打印灵活、简单便捷、打印中不需要加支撑表面光洁度差、致密性和力学性能差LOM片材效率高、整个过程可在室温下进行无法满足小构件精密打印、应用条件苛刻DIW浆料简单方便、对浆料颜色没有要求、可成型复杂件打印速度慢、成型精度较低DLP浆料打印精度高、成型速度快、可成型复杂件设备昂贵、对浆料要求高因此，通过对比以上几种生物陶瓷增材制造技术可以发现，DLP相比于其他几种工艺拥有更高的打印精度、更快的成型速度、更复杂的可成型构件，具有更广阔的研究价值和应用前景，是实现颌面植入物高精度增材制造的最佳途径。参考文献[1]CampanaV.,MilanoG.,PaganoE.etal.Bonesubstitutesinorthopaedicsurgery:frombasicsciencetoclinicalpractice[J].JournalofMaterialsScienceMaterialsinMedicine,2014,25（10）:2445-2461.[2]TLMueller,AJWirth,vanLentheGH.Mechanicalstabilityinahumanradiusfracturetreatedwithanoveltissue-engineeredbonesubstitute:anon-invasive,longitudinalassessmentusinghigh-resolutionpQCTincombinationwithfiniteelementanalysis[J].JournalofTissueEngin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