摘 要 骨组织修复或再生是骨科手术中常见而又复杂的临床问题。因创伤、先天畸形等因素造成的骨与关节系统疾病往往导致患者工作能力丧失、生活质量下降。其治疗需要进行骨移植和替代治疗。现阶段在临床治疗和研究中广泛使用自体移植和同种异体移植，但存在供体骨量有限以及感染、免疫应答等问题。因此，研究生物活性材料的制备和成形方法已成为骨组织工程的重点内容。 羟基磷灰石(HA)是骨骼的基本组成部分，聚乳酸(PLA)是常用的生物降解聚合物，以 PLA为基体、HA为增强材料的复合体系有着良好的骨诱导性和生物相容性，在骨修复领域有重要的应用。而激光选区烧结 (SLS) 作为一种成熟的快速成形技术，具有使用材料广泛、造型复杂多样、无需支撑、精度高等优点，在制备个性化植入假体方面具有无可比拟的优越性。本文针对HA/PLA材料的SLS工艺进行了一系列的研究： （1）HA/PLA复合粉末材料的制备及特性研究：采用机械混合法制备质量比为15%的复合粉末，采用激光衍射、SEM、DSC、TG/DTA等表征方法获取原材料及其复合材料粉末的物理化学特性参数。 （2）HA/PLA复合材料激光选区烧结工艺研究：先进行单层预扫描试验，确定预热温度、扫描速度、激光功率、层厚等范围；然后进行块体成形实验，设计正交实验研究激光功率、扫描速度、层厚对成形件拉伸性能及精度的影响规律。 本文研究结果表明： （1）将PLA与HA复合，PLA成分提高材料韧性、容易塑形，HA成分提高材料热稳定性和烧结性能，更加符合骨组织工程的材料要求； （2）激光加工过程并未诱导化学反应，对HA/PLA复合粉末进行SLS工艺，在保留材料优良性能的同时，能够获得成形效果较好的制件； （3）激光功率对材料力学强度的影响最为显著，正交实验得最佳工艺参数为激光功率为4.5w、扫描速度为1400 mm/s、分层厚度为0.10 mm。 本文基于激光选区烧结技术，研究成形工艺中相关参数对成形件的影响，通过对烧结前后的复合材料的性能分析，揭示材料的形态与性能演变机理，对于HA/PLA复合材料植入物的制造及应用有着重要的研究价值和现实意义。 关键词：激光选区烧结；聚乳酸；羟基磷灰石；骨修复 Abstract Bone tissue repair or regeneration is a common and complex clinical problem in orthopedic surgery. Bone and joint system diseases caused by trauma, congenital malformation and other factors often lead to the loss of working ability and quality of life of patients. Its treatment requires bone grafting and replacement therapy. At the present stage, autologous transplantation and allograft transplantation are widely used in clinical treatment and research, but there are problems such as limited donor bone mass and infection and immune response. Therefore, research on the preparation and forming methods of bioactive materials has become a key content of bone tissue engineering. Hydroxyapatite (HA) is the basic component of bone. Polylactide (PLA) is a commonly used biodegradable polymer. The composite system based on PLA and HA as reinforcement has good osteoinduction and biocompatibility. There are important applications in the field of bone repair. The laser selective sintering (SLS) as a mature rapid prototyping technology has the advantages of wide range of materials, complex and diverse shapes, no need of support, high precision, and unparalleled superiority in the preparation of personalized implant prostheses. This article has conducted a series of studies on the SLS process of HA/PLA materials: (1) Preparation and properties of HA/PLA composite powders: The composite powders were prepared by mechanical mixing method and the composite powders with mass ratio of 15% were prepared. The raw material powders and their composites were obtained by laser granulometry, SEM, DSC, TG/DTA and other characterization methods. Physical and chemical property parameters of the material. (2) Study on laser selective sintering process of HA/PLA composites: single-layer pre-scanning test was conducted to determine the preheating temperature, laser power, scanning speed, layer thickness, etc.; then the block forming experiment was conducted and the orthogonal experiment was designed. Effect of Laser Power, Scanning Speed and Layer Thickness on Mechanical Properties and Accuracy of Molded Parts. The results showed that: (1) PLA was compounded with HA, PLA improved the brittleness of HA, HA improved the thermal stability and sintering performance of PLA, and it was more in line with the material requirements of bone tissue engineering; (2) The laser processing process did not The chemical reaction was induced and the SLS process was performed on the HA/PLA composite powder. While retaining the excellent properties of the material, it was able to obtain articles with good forming effect. (3) The laser power has the most significant effect on the mechanical strength of the material. The best process parameters are laser power of 4.5W, scanning speed of 1400 mm/s, and layer thickness of 0.10 mm. In this paper, based on the laser selective sintering technology, the influence of related parameters on the forming parts in the forming process is studied. Through the analysis of the properties of the composites before and after sintering, the morphological and performance evolution mechanism of the materials is revealed, and the HA/PLA composite implants are manufactured. And application has important research value and practical significance. Key Words：Selective laser sintering; polylactic acid; hydroxyapatite; bone repair 目 录 第1章 绪论 1 1.1 研究背景及现状 1 1.2 骨修复材料应用与发展 1 1.3 聚乳酸/羟基磷灰石材料复合方法 2 1.4 激光选区烧结工艺概述 3 1.5 课题研究目的及主要内容 4 1.5.1 研究目的及意义 4 1.5.2 主要研究内容 5 第2章 HA/PLA复合粉末的制备与表征实验 6 2.1 复合粉末制备 6 2.1.1 主要实验原料与仪器 6 2.1.2 实验流程 6 2.2 复合粉末表征原理及过程 7 2.2.1 粒径分布测试 7 2.2.2 扫描电子显微镜（SEM） 8 2.2.3 示差扫描量热法（DSC） 9 2.2.4 X射线衍射分析（XRD） 10 2.2.5 傅里叶变换红外光谱分析（FTIR） 11 2.2.6 热重分析（TG/TGA） 11 2.3 本章小结 12 第3章 HA/PLA复合粉末表征结果分析 13 3.1 粒径分布测试与SEM 13 3.2 示差扫描量热法（DSC） 15 3.3 X射线衍射分析（XRD） 16 3.4 傅里叶变换红外光谱分析（FTIR） 18 3.5 热重分析（TG/TGA） 20 3.6 本章小结 21 第4章 SLS成形件性能研究 22 4.1 成形件的制备 22 4.1.1 实验设备与仪器 22 4.1.2 单层预扫描实验 23 4.1.3 块体成形正交实验 24 4.2 拉伸性能测试 25 4.3 成形参数对性能影响研究 26 4.3.1 激光功率对成形件性能的影响 27 4.3.2 扫描速度对成形件性能的影响 27 4.3.3 分层厚度对成形件性能的影响 28 4.4 成形件性能表征 28 4.5 本章小结 31 第5章 总结与展望 32 5.1 结论 32 5.2 展望 32 参考文献 33 致 谢 35

第1章 绪论

1.1 研究背景及现状

骨修复再生是骨科手术中常见而又复杂的临床问题。因创伤、先天畸形等因素造成的骨与关节系统疾病往往导致患者工作能力丧失、生活质量下降。目前主要的治疗手段为骨移植术。在临床治疗和研究中常采用自体移植和同种异体移植^[1]，但两者均存在一定的局限性。移植需要从患者自身体内获得植入骨，人体可供移植的骨量却十分有限。若出现大面积的骨缺损，一般考虑同种异体移植，但这种方法价格昂贵且需承担感染、免疫应答等风险。因此，骨组织工程成为骨修复的研究热点。研究植入材料的制备和成形方法成为拟解决的关键问题。 传统的项目是使用支架代替损伤的骨和关节。在1999年，兰格提出设计生物支架的想法。即种植体不仅仅起到支撑作用，且应当作为细胞生长的基质，诱导控制细胞的生长起到模板作用。开发相应的仿生材料，完成材料从制备、表征到加工、评估等一系列体系的建立，长期以来一直是骨组织工程领域的主要目标，对于推动医疗水平及制造行业进步有着重要的意义。

1.2 骨修复材料应用与发展

种植体不仅对细胞起到支撑作用，且需要能够诱导组织再生并控制组织结构。这对于所选用材料的成分和结构形貌都有严格的要求。天然骨骼是一种复杂的纳米复合材料，其中羟基磷灰石、钙等无机物提供机械性能，胶原纤维等有机物提供支撑和张力。因此，生物材料成为骨修复材料的研究重点^[2]，目前常用的生物材料列于表1.1中。 表1.1 常用材料优缺点

名称	优点	缺点
天然珊瑚	结构上高度类似人体松质骨	1）成分与骨骼相差较大 2）降解速率缓慢 3）脆性大、难加工
钙磷生物陶瓷	组成结构与天然骨类似；具有良好的生物相容性、骨传导和骨诱导性	1）疏松结构导致其机械性能不足 2）降解速率慢
合成高分子	有良好的生物相容性和降解性；无毒性	1）不具备骨诱导活性 2）亲水性差，细胞吸附力弱[3]
天然高分子 聚合物	提取于动物组织，无毒性；具有抗菌作用和生物相容性[4]	1）降解速率难以调控 2）机械性能不足

钙磷生物陶瓷材料是一种生物活性陶瓷，因其具有与自然骨相似的化学成分和结构空间，通过控制反应可获得与自然骨极相似的材料^[5]，且其具着其他材料所缺少的骨诱导作用，即植入机体后除支持、连接等功能外，还可诱导骨组织的修复和生长，是一种理想的骨修复材料。 羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA），其化学式为Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，熔点为1650°C，溶解度为0.4ppm，Ca/P原子比为1.67，是骨骼的主要组成部分，约占60%，作为常见的骨植入生物陶瓷材料，有着巨大的发展前景^[6]。聚乳酸（polylactic acid，PLA），其化学式为(C₃H₄O₂)n，熔点为155-185°C，密度为1.20-1.30 kg/L，是一种合成高分子材料，具有优良的可再生性、相容性和力学性能。其降解机制为酯键的水解。聚乳酸于堆肥条件下降解产物为水和二氧化碳，与人体代谢中间产物类似，被美国FDA批准为生物降解性医用材料。 羟基磷灰石材料作为骨修复材料，主要存在脆性较大、强度低、易断裂、难成形等问题，不能作为承重性植入材料使用，常被用作为骨填充材料^[7]。而PLA作为骨修复材料则存在无生物诱导活性、难降解、可能引起无菌炎症等问题。将聚乳酸和羟基磷灰石材料复合希望将两者的优点相结合，且通过复合调控复合体系的机械强度、降解速度以及可塑性，从而达到骨组织工程的材料性能要求。 HA/PLA复合材料因其良好的生物活性和力学性能，成为医用生物材料的研究重点。Shikinami 等^[8]采用机械共混法制得了弯曲性能高达270MPA的PLLA/HA复合材料，并将其投入实际应用。Kasuga 等^[9]进行 HA/PLLA的复合试验表明，HA使复合材料的弹性模量显著提升，并引起材料最大应变下降、脆性上升。李亚军等^[10]将HA、PLA、造孔剂混合，制得多孔复合材料，其孔隙直径100~500mm，并提出该结构能提高复合材料的机械强度和骨诱导性，调控材料降解速度接近骨组织恢复速度。郭晓东等^[11]进行左旋聚乳酸/羟基磷灰石复合材料的生物相容性实验，临床实验结果证明复合材料无毒性、刺激性和致突变性。综上所述，该复合材料从理论实验到临床探究均证明了其优良性能，是一种有很大研究价值及发展前途的新型骨修复材料。

1.3 聚乳酸/羟基磷灰石材料复合方法

目前可以用于制备聚乳酸/羟基磷灰石复合材料的方法主要有机械混合法、覆膜法、熔融共混法以及溶液超声分散法等。 1）机械混合法：主要应用于粉末共混，将原材料粉末在三维运动混合机等混合设备中进行机械混合^[12]。该方法工艺简单、对设备要求低，然而当原料粉末的粒径非常小（粒径小于 10 µm），或者组分粉末的粒径相差较大时，机械混合法难以将材料混合均匀且粉末颗粒容易产生偏聚现象。 2）覆膜法：采用喷雾干燥、溶剂沉淀等工艺将高分子材料包覆在填料颗粒的外表面，形成覆膜复合粉末^[13]。该方法混合比较均匀，但需要一定的制备条件、成本较高。 3）熔融共混法：粉末经表面处理后，在高于高分子材料的玻璃化化温度条件下共混。该方法可能出现混合不均匀以及团聚现象等问题。 4）溶液超声分散法：将高分子材料溶解在溶剂中，加入HA粉末后通过搅拌及超声波作用共混，之后去除溶剂。该方法的难点在于确保无残留溶剂。