纳米颗粒增强骨支架力学性能研究

发布时间：2017-09-22 18:34

  本文关键词：纳米颗粒增强骨支架力学性能研究

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【摘要】：摘要：选择性激光烧结技术在骨组织工程支架制造领域具有很好的发展前景。可降解高分子聚合物和生物陶瓷被认为是很有前途的骨替代材料。然而利用这些材料制备的骨支架都存在着机械性能不足的缺点,限制了其临床承载应用。本论文通过选择性激光工艺制备了聚合物支架和陶瓷支架,并利用纳米增强相(如nano-HAP, nano-ZrO2, nano-SiO2和CNTs)改善了支架的性能。重点研究了纳米增强相的含量对支架机械性能的影响规律与作用机理。本文的主要研究工作与创新性成果如下： 1.针对所设计的选择性激光烧结系统,提出了结构的优化方案。通过Solidworks建立了几何模型并利用Ansys进行了结构分析,改进后结构的弯曲变形从0.935mm减小到了0.25mm。 2.利用选择性激光烧结制备了添加不同含量nano-HAP的聚合物多孔支架。当nano-HAP含量为20wt%时,获得了最优的压缩强度和压缩模量分别为3.28MPa和32.81MPa。证实了通过引入纳米增强相对骨支架机械性能的增强作用。 3.利用nano-ZrO2作为增强相的多孔陶瓷支架通过选择性激光烧结制备了。烧结后ZrO2出现了从单斜晶到四方晶的相转变,提高了nano-ZrO2的增强能力。支架的压缩强度以及断裂韧性分别从17.9MPa增加到了44.1MPa和1.14MPa·m1/2增加到1.66MPa·m1/2。 4.利用nano-SiO2和CNTs实现了陶瓷支架的进一步增强。随着nano-SiO2含量的增加(0-5wt%),支架的平均晶粒尺寸不断减小,机械性能不断提高。最优的压缩强度以及断裂韧性相比于未增强的支架分别提高了197%和103%,比只添加nano-SiO2的支架分别进一步提升了54%和23%。表明了两种纳米增强相对骨支架的机械性能有着更好地改善效果。
【关键词】：选择性激光烧结 多孔支架 纳米增强相 机械性能
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.08
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-21
• 1.1 选择型激光烧结技术10-13
• 1.1.1 选择性激光烧结原理10-11
• 1.1.2 选择性激光烧结的优势11
• 1.1.3 选择性激光烧结的发展及趋势11-13
• 1.2 人工骨支架材料13-16
• 1.2.1 可降解高分子材料14-15
• 1.2.2 生物陶瓷材料15-16
• 1.3 选择性激光烧结人工骨支架16-19
• 1.3.1 选择性激光烧结人工骨支架的过程16-17
• 1.3.2 选择性激光烧结人工骨支架的机理17-18
• 1.3.3 选择性激光烧结人工骨支架的研究现状18-19
• 1.4 本课题研究内容与意义19-21
• 2 选择性激光烧结机的结构分析与改进设计21-27
• 2.1 有限元结构分析理论22-23
• 2.1.1 结构静力学分析22
• 2.1.2 结构模态分析22-23
• 2.2 选择性激光烧结机的结构分析与改进设计23-26
• 2.2.1 激光烧结机有限元模型的建立23-24
• 2.2.2 边界条件与加载24
• 2.2.3 静态结果分析24-26
• 2.2.4 结构模态分析26
• 2.3 本章小结26-27
• 3 纳米羟基磷灰石增强多孔聚合物骨支架的性能研究27-40
• 3.1 选择性激光烧结制备多孔骨支架28-30
• 3.1.1 材料与方法28-29
• 3.1.2 测试手段29-30
• 3.2 工艺参数对多孔骨支架微观结构和性能的影响30-34
• 3.2.1 激光能量密度对骨支架微观结构的影响30-33
• 3.2.2 激光能量密度对骨支架机械强度的影响33-34
• 3.3 Nano-HAP含量对骨支架微观结构和性能的影响34-37
• 3.3.1 Nano-HAP含量对骨支架机械性能的影响34-35
• 3.3.2 Nano-HAP含量对骨支架微观结构的影响35-37
• 3.4 多孔支架的设计和制备37-39
• 3.5 本章小结39-40
• 4 纳米氧化锆增强多孔陶瓷骨支架的性能研究40-52
• 4.1 Nano-ZrO_2增强的多孔陶瓷骨支架的制备40-44
• 4.1.1 Nano-ZrO_2增强的多孔陶瓷骨支架的实验方法41-43
• 4.1.2 Nano-ZrO_2增强的多孔骨支架的测试手段43-44
• 4.2 Nano-ZrO_2含量对骨支架微观结构的影响44-47
• 4.2.1 Nano-ZrO_2含量对骨支架表面形貌的影响44-46
• 4.2.2 Nano-ZrO_2含量对骨支架物相组成的影响46-47
• 4.3 Nano-ZrO_2含量对骨支架性能的影响47-51
• 4.3.1 Nano-ZrO_2含量对骨支架机械性能的影响47-48
• 4.3.2 Nano-ZrO_2含量对骨支架生物学性能的影响48-51
• 4.4 本章小结51-52
• 5 纳米氧化硅和碳纳米管增强陶瓷骨支架的性能研究52-60
• 5.1 实验材料及方法52-53
• 5.2 Nano-SiO_2和CNTs对支架微观结构的影响53-57
• 5.2.1 Nano-SiO_2和CNTs对支架物相组成的影响53-55
• 5.2.2 Nano-SiO_2和CNTs对支架表面形貌的影响55-57
• 5.3 Nano-SiO_2和CNTs对支架性能的影响57-59
• 5.3.1 Nano-SiO_2和CNTs对支架机械性能的影响57-58
• 5.3.2 Nano-SiO_2和CNTs对支架机械性能增强机理分析58-59
• 5.4 本章小结59-60
• 6 总结与展望60-62
• 6.1 全文总结60-61
• 6.2 研究展望61-62
• 参考文献62-70
• 攻读学位期间主要的研究成果目录70-71
• 致谢71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 李宁 ,王高潮;SLS烧结参数对快速成型制件精度与强度的影响[J];模具制造;2004年10期

2 江帆;胡小方;许峰;赵建华;蒋锐;卢斌;黄万霞;袁清习;;陶瓷粉末烧结演化的同步辐射CT观测[J];实验力学;2007年05期

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本文编号：902416