3DP法三维打印制备超高分子量聚乙烯植入物

3DP法三维打印制备超高分子量聚乙烯植入物
杨建明;王永宽;陈现伦;黄大志
【摘要】以UHMWPE、水溶粘性麦芽糊精和PVA的混合粉末为原料,利用水基粘结剂的粘结作用,以3DP法初步打印制备超高分子量聚乙烯植入物.形成打印坯后,在去粉后进行两次加热操作,并在加热中间安排水浸法脱粘,从而得到打印制件.最后,利用医学CT、MRI等获得的数据,采用Mimics软件进行人体植入物的三维建模,以3DP法制备获得了UHMWPE植入物样件.
【期刊名称】《电加工与模具》
【年(卷),期】2019(000)001
【总页数】4页(P52-55)
【关键词】三维打印;3DP法;超高分子量聚乙烯;植入物
【作者】杨建明;王永宽;陈现伦;黄大志
【作者单位】淮海工学院机械与海洋工程学院,江苏连云港 222005;淮海工学院机械与海洋工程学院,江苏连云港 222005;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;淮海工学院机械与海洋工程学院,江苏连云港 222005
【正文语种】中文
【中图分类】TG669
超高分子量聚乙烯（ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE）是一种分子量在150万以上的工程塑料，具有很好的耐磨性、抗冲击性、自润滑
性及生物相容性，经表面改性后，其性能可得到进一步改善，广泛应用于航空、航天、医疗、海洋等领域[1-2] 。

UHMWPE常用的成形工艺有模压成形、螺杆挤出成形、注塑成形等[3] ，大多适用于批量生产，难以快速制备具有复杂结构的个性化骨科植入物。

近年来，3D打印技术的发展为复杂特殊制品带来了新途径。

Khalil[4] 研究了UHMWPE材料的SLS成形工艺，肖泽锋[5] 研究了SLS成形参数及后续热处理工艺对UHMWPE成形性能的影响，并制备出基本满足使用要求的制件。

3DP法三维打印技术是一种基于离散堆积原理，以粉末为成形材料，将构建的三维模型通过切片软件生成加工代码，再由计算机以指令代码的形式控制打印机打印出完整的坯件，并经后处理来提高其强度的一种技术[6-7] 。

利用该技术可为患者“私人订制”高度匹配的植入物，且成本低、速度快，是一种极具潜力的成形方法。

本文选用UHMWPE粉末为原料，添加适量水溶粘性粉末并喷射水基粘结剂，以3DP法三维打印技术进行UHMWPE植入物的制备。

1 实验材料的选择
1.1UHMWPE粉末
本文选用美国某公司生产的GUR5113牌号的UHMWPE粉末材料，其分子量约为500万，平均粒径为154.5 μm。

该粉末的扫描电镜照片见图1，可看出，粉末颗粒是由许多微细纤维和细小球晶形成的交联网状结构。

图1UHMWPE粉末SEM图
UHMWPE粉末的粒径采用激光粒度分布仪检测，以无水乙醇为分散介质，测得粉末的粒度分布见图2，平均粒径为154.5 μm。

可见，粒径大小和分布较理想，符合3DP法三维打印的要求。

图2UHMWPE粉末粒度分布图
为满足打印坯后处理的参数选择需要，用DSC差热分析仪对UHMWPE粉末进行
差热分析，取11.3 mg的UHMWPE粉末置于密封铝制器皿中，在氮气气氛环境中设定加热/冷却速率为10℃/min，测得UHMWPE粉末的DSC曲线见图3，其中下方曲线表示加热熔融过程，上方曲线表示冷却结晶过程。

从图3可见，UHMWPE粉末的熔融温度约为138℃，冷却结晶温度约为118℃。

图3UHMWPE粉末DSC曲线
1.2 粘结剂
目前，3DP法采用的粘结方式主要有：①向成形粉末喷射自固化型粘结剂，使粉
末粘结成形[8-10] ；②向成形粉末喷射加热分解型或与其发生化学反应的粘结剂，使粉末粘结成形[11-12] ；③ 向粘性粉末或混入水溶粘性粉末（如淀粉、聚乙烯
醇粉等）的混合粉末喷射水基溶液，通过粘性粉末遇水产生的粘结作用而粘结成形[13-15] 。

第一种粘结方式所喷射的粘结剂通常黏度较大，易堵塞喷嘴；第二种粘结方式会受到成形粉末材料种类的限制，所喷射的粘结剂可能具有一定的毒性或腐蚀性。

因此，本文采用第三种粘结方式，在成形粉末中混入水溶粘性粉末并与水基粘结剂配合使用，不仅能避免前两种方式的缺陷，而且打印坯中的粘性粉末被脱除后会留下一定的孔隙，形成的多孔结构正好能满足植入物的结构需要。

（1）粘性粉末。

本研究中水溶粘性粉末选用粒径约140 μm的麦芽糊精粉末，以及粒径约为120 μm、具备冷溶高粘性质的PVA粉末，它们的SEM照片见图4。

可看出，它们的球形度较差，PVA粉末颗粒基本接近片状。

图4 粘性粉末的SEM照片
（2）水基粘结剂。

本研究选用的水基粘结剂为含质量分数0.5%的聚乙烯吡咯烷
酮（PVP）的蒸馏水。

PVP安全无毒，易溶于水，溶于水中后具有增流的效果，
溶有少量PVP的蒸馏水喷射到混合粉末上可提高粘结性。

2 3DP法三维打印工艺方案
根据3DP法三维打印技术原理、UHMWPE材料特性及选定的粘结剂体系，制定
如图5所示的UHMWPE材料制件的3DP法三维打印制备工艺。

图5 UHMWPE材料制件3DP法三维打印制备工艺流程
2.1 混粉
打印时采用成形材料粉末和粘性粉末的混合物，因此需在打印前进行粉末的混合。

采用UHMWPE粉末、麦芽糊精粉末、PVA粉末的混合物进行打印，其质量配比
约为7∶2∶1，另外加入少量卵磷脂粉末作为加工助剂，以减少打印过程中粉尘的飘扬。

制定的打印用混合粉末配方见表1。

表1 混合粉末配方种类质量分数/%UHMWPE 69.8麦芽糊精 20 PVA 10卵磷脂0.2
混粉前，将各粉末在40℃干燥炉中干燥2 h，防止粉末因受潮而产生团聚；然后，将所有粉末放入三维运动混合机中进行混粉，时间为1 h。

混合粉末SEM照片见
图6，可看出，粉末颗粒之间均匀夹杂分布着少量的麦芽糊精和PVA粉末颗粒，
混粉效果能满足使用要求。

图6 混合粉末的SEM照片
粉末的流动性对打印过程中的铺粉效果影响较大，本研究采用粉体综合特性测试仪测量粉末的休止角，以表征粉末的流动性。

由表2可知，UHMWPE粉末的流动
性较好；麦芽糊精和PVA粉末颗粒的球形度不高，且易吸水受潮而发生团聚，流
动性稍差。

由于流动性较好的UHMWPE粉末占大部分，混合粉末的休止角约为36°，故粉末流动性能达到使用要求。

表2 粉末休止角测试结果种类休止角/（°）UHMWPE 33麦芽糊精 37 PVA 40
混合粉末 36
2.2 打印
将混合好的粉末放入3DP法三维打印机的供粉缸中，水基粘结剂溶液加入储胶罐
中，运行打印机并进行铺粉、喷液操作，逐层打印粘结成形。

2.3 后处理
（1）打印坯去粉。

打印完成的坯件连同基板一起从成形缸中取出，放入真空干燥箱，待粘结剂充分粘结、打印坯件干燥固化并具有一定的强度后，再从粉堆中取出进行去粉处理。

去粉时，通过振动装置、压缩空气装置及毛刷等工具去除打印坯内腔及表面未粘结的粉末。

（2）加热及脱粘处理。

上述得到的打印坯还需经过脱除粘结剂，再将UHMWPE
粉末颗粒加热熔合起来，才能获得有用的UHMWPE材料打印制件。

根据UHMWPE的DSC曲线可知，该粉末的熔点约为140℃，而作为粘结剂粉末的麦芽糊精与PVA的熔点则在240℃左右，因此该打印坯不适合采用加热分解的
方法脱除麦芽糊精与PVA。

本研究采用对打印坯加热预熔合后进行水浸法脱粘，
即先对打印坯进行一次加热，使UHMWPE粉末初步熔融粘结，进而使打印坯获
得一定的强度；再利用糊精和PVA粉末易溶于水、而UHMWPE不溶于水的特点，将打印坯浸入水中，使糊精和PVA粉末溶解于水中而完成脱粘。

具体操作方法如下：
——将打印坯置于陶瓷板上并放入电阻炉进行第一次加热，设定加热温度为150～160℃，保温时间为1 h，待炉温降至室温时取件；
——将经过第一次加热的坯件放入盛有适量清水的超声波清洗机，在40～50℃水温及超声振动条件下进行浸泡脱粘；
——脱粘后，将脱粘件放入干燥炉，在80℃下进行干燥；
——将上述彻底脱粘后的试件埋覆在盐床中，置于150～160℃的电阻炉中进行第二次加热处理，保温2 h，使UHMWPE粉末颗粒之间达到理想的熔合状态而最终成形，冷却至室温后取件，可得到最终制件。

3 样件制备
在打印制备一般制件时，可采用常规的三维建模软件（Pro-E、UG等）绘制打印
件模型。

但在打印人体植入物时，由于人体骨骼结构较复杂，应采用体现3DP打
印技术“私人订制”优势的建模方法。

首先，利用CT、MRI等影像学手段对患者相应部位进行逐层扫描，获得其医学数字图像通讯标准数据（Dicom）；然后，
将数据输入专业软件 Mimics，运用该软件的阈值分割、区域增长等功能对每层图像进行选择性编辑和补洞处理；最后，经3D计算建立包含骨骼结构的三维几何模型（图7）。

由于人体骨骼内部有较多微小而复杂的孔隙结构，还存在一些封闭的孔洞，而3DP法成形精度较低，难以表现出这些孔隙结构，封闭的孔洞又会使打
印件内部存在干粉，因此，建模时需对模型进行补洞和平滑处理。

图7 部分人体植入物的三维模型
将上述模型以stl格式文件导入打印机，进行人体植入物的打印制备。

图8分别是下颌骨、颅骨的打印坯和颧骨打印坯经后处理得到的最终制件。

由于3DP法打印
件本来就具有多孔特性，故打印过程中可通过调节工艺参数来改变其多孔结构特征，使其性能最大程度地匹配人体植入物结构要求。

图8 3DP法三维打印获得的人体植入物
4 结束语
本文以UHMWPE、水溶粘性麦芽糊精和PVA的混合粉末为原料，利用水基粘结
剂的粘结作用，根据混合粉末和粘结剂的特性制定3DP法三维打印制备工艺，制
备了超高分子量聚乙烯植入物。

形成打印坯后，在去粉后进行两次加热操作，并在加热中间安排水浸法脱粘，从而得到打印制件。

最后，利用医学CT、MRI等获得的数据，采用Mimics软件进行人体植入物的三维建模，以3DP法制备获得了UHMWPE植入物样件。

3DP法可根据患者个体需求打印符合要求的植入物，且
成本低、速度快，具有广阔的发展前景。

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