仿生納米塗層人工骨製造理論與關鍵技術研究

《仿生納米塗層人工骨製造理論與關鍵技術研究》是依託吉林大學，由吳文征擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：仿生納米塗層人工骨製造理論與關鍵技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：吳文征
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

針對傳統金屬人工骨材料具有毒副作用，生物相容性、抗腐蝕性和耐磨性較差，非金屬人工骨成形的非定製化、骨鬆動、骨細胞不存活等問題，採用可替代金屬的可植入熱塑性高聚物如碳纖維聚醚醚酮，通過人工骨的仿生建模製造出熱塑性高聚物仿生納米塗層人工骨。採用流體動力學理論分析、仿真最佳化與實驗相結合的方法，建立熱塑性高聚物人工骨噴頭流體動力學理論模型；結合熱塑性高聚物的熱力學理論，研究噴出材料溫度變化規律和人工骨的內聚破壞、粘附破壞以及混合破壞，確定人工骨成形的最最佳化參數；基於逆向工程理論，建立特定的具有微細多孔結構的仿生人工骨模型，進行熱塑性高聚物人工骨成形試驗，研製熱塑性高聚物仿生人工骨；揭示熱塑性高聚物仿生人工骨納米塗層成形機理，開發出熱塑性高聚物仿生人工骨納米塗層；在理論研究的基礎上研發出可替代金屬人工骨並具有優良生物相容性的可植入熱塑性高聚物仿生納米塗層人工骨，具有重要的臨床和科學研究意義。

結題摘要

傳統金屬人工骨材料具有毒副作用，生物相容性、抗腐蝕性和耐磨性較差，非金屬人工骨成形非定製化、植入後導致骨鬆動、骨細胞不存活等問題。針對傳統人工骨的不足，本項目以“最佳長期骨移植”材料聚醚醚酮（PEEK）為人工骨基材，採用3D列印技術，並通過物理氣象沉積法在聚醚醚酮人工骨表面製備“親生物金屬”鉭金屬塗層，實現仿生納米塗層人工骨的製備。通過有限元仿真和實驗相結合的方法，建立了熱塑性高聚物仿生人工骨噴頭流體動力學理論模型和成形樣件熱力學模型，揭示了熱塑性高聚物仿生人工骨成形機理。 研究了熱塑性高聚物通過微細流道精確3D列印的機理。構建並求解了聚醚醚酮熔體流動的控制方程和本構方程，通過流體力學仿真模擬，揭示了熔體內部的運動規律，得到熔體的速度、壓力和溫度分布，討論了列印參數對噴頭熔體流動性的影響。 建立了人工骨熱塑性高聚物列印過程中的熱力學模型，分析熱塑性高聚物人工骨的熱學特性對成形的粘接質量、力學特性等影響，研究成形過程中溫度場的形成，以及成形溫度變化對固化過程影響。藉助參數化程式語言模擬了樣件在3D列印過程中的熱行為，揭示了列印條件對樣件溫度場的影響規律。採用順序耦合中的間接法，以溫度場計算結果為載荷，探索了列印條件對基於溫度載荷的3D列印樣件熱應力耦合場的影響規律。 建立了仿生納米塗層人工骨成形方法。通過3D列印技術，製備了熱塑性高聚物PEEK人工骨；在此基礎上，通過物理氣相沉積技術，在熱塑性高聚物PEEK人工骨表面製備了納米鉭金屬塗層，並綜合評價了人工骨的力學性能、生物性能，所製備的生納米塗層人工骨具有優良的力學性能且具有良好的生物相容性。 本項目共發表論文5篇，其中SCI檢索2篇，EI檢索2篇。申報中國發明專利2項，其中已授權發明專利1項。該研究解決傳統人工骨製備材料和製備工藝上的難題，提供了仿生聚醚醚酮人工骨3D列印的新思路和新方法。計畫與美國喬治亞理工學院合作推進仿生人骨在設計和精確成形領域的研究工作。