镁骨组织工程支架的打印制备及性能特征(3)

3 讨论 Discussion

3D打印支架过程中，影响支架成形质量的因素较多。喷头的流量是决定浆料连续出丝和丝形状自持性的首要因素。从喷头中取一小段圆柱形的的流体作为研究对象，建立力学平衡方程式(3)、(4)，由流量公式(5)得喷头的流量与浆料的黏度、喷头的直径及长度、气压值等有关。

图1 多孔镁支架制备过程Figure 1 Preparation of the porous magnesium scaffold图注：图中 A为建立的仿生骨支架三维模型；B为支架成形过程。 φ为丝直径，?l为丝间距，?z为层间距。

图2 多孔镁支架的显微形貌图Figure 2 Microstructure of the porous magnesium scaffold图注：图中A为支架的截面图，明显地观测到均匀圆柱丝状截面，层与层之间存在重叠部分；B为支架的俯视形貌图，呈现矩形孔洞结构，孔隙连通均匀。

图3 多孔镁支架烧结前后材料的X射线衍射图谱Figure 3 X-ray diffraction patterns of the porous magnesiumscaffold before and after sintering图注：图中A为烧结后的镁支架，B为烧结前的镁支架，烧结后的镁支架生成少量的氧化镁。

图4 不同烧结温度下多孔镁支架的扫描电镜形貌(×2 000)Figure 4 Scanning electron microscope images of the porous magnesium scaffold sintered at different temperature (×2 000)图注：图中A为450 ℃烧结温度，颗粒间存在大孔隙；B为500 ℃烧结温度，形成小的烧结颈；C为550 ℃烧结温度，镁颗粒致密，形成最大烧结颈，充分烧结；D为600 ℃烧结温度，晶粒比表面能降低，联结能力下降。

图5 烧结温度550 ℃时多孔镁支架的压力-位移曲线Figure 5 The load-displacement curve of the porous magnesium scaffold sintered at 550 ℃图注：在550 ℃烧结条件下，支架的抗压强度为0.87 MPa，满足松质骨的力学性能。

图6 随降解时间镁支架表面微观形貌的变化和降解表面的能谱分析图Figure 6 Surface morphology of the porous magnesium scaffold and energy spectrum analysis of the degradation products on the scaffold surface over the soaking time图注：浸泡5 d后，支架表面出现网状裂纹与点蚀坑(图A-1)，表面附着细短的针状团聚物(图A-2)；浸泡30 d后，裂纹变宽，点蚀坑变大(图B-1)，团聚物变粗大，形成疏松的沉积层(图B-2)；C为对图B-2支架表面团聚物的能谱分析，支架的降解物质元素主要为Mg、O。

图7 多孔镁支架腐蚀表面的X射线衍射图谱Figure 7 X-ray diffraction patterns of the porous magnesium scaffold after degradation图注：支架表面团聚物降解主要产物为Mg(OH)2。

图8 多孔镁支架降解过程中平均降解速率与时间的关系曲线Figure 8 Relationships between the soaking time and the average degradation rate of the porous magnesium scaffold图注：随着浸泡时间的延长，支架降解不断进行，降解速率逐渐趋于相对平稳。

图9 多孔镁支架降解过程中浸泡液pH值与时间的关系曲线Figure 9 Relationships between the soaking time and pH value of soak solution during the degradation of the porous magnesium scaffold图注：浸泡0-5 d，浸泡液的pH值逐渐增大；5 d后趋于平稳，pH值保持为10.。

式中：r为流体半径；ΔP为流体上下静压力差；ρ为浆料密度；g为重力加速度；L为流体高度；τ为单位表面积上的剪切力；μ为浆料黏度；Q为流量；R喷头的直径。

在挤出的浆料流量一定时，喷头移动的速率、层间距等都影响支架的孔洞形貌。在打印过程中需调整合适的喷头移动速度，因为利用丝具有的延展性构造出孔洞形状，所以如果喷头速度慢，丝未能延展；而速度快，出丝后没有足够的时间定型，这两种情况都将造成孔洞失形；再次控制打印过程中的层间距，避免因距离小孔洞闭合，而距离大造成丝与丝间的轻接触，降低了支架强度。打印过程中研究各参数的最优组合，可提高支架形貌的精确性。

支架的力学强度主要取决于2个因素：一是材料的性质；二是支架的结构形式，包括孔洞、缺陷和微观组织及其分布。在材料确定的条件下，首先仿生设计支架的孔洞形状和孔洞走向，实现支架三维结构的优化，然后将打印的实体进行烧结，实现颗粒的结晶，提高微观组织的致密性，最终支架获得较好的力学强度。此次实验制备的镁支架具有单晶胞元仿生结构，矩形孔洞分布均匀且比表面积大，经烧结实现支架致密的同时，形成的微孔虽然降低了支架强度，但提高了连通性。研究表明Schwarz型支架和拓扑单元型支架都具有较高的孔隙率和良好的机械性能。

骨细胞在镁支架上附着和生长的同时，支架在体内降解[32-33]，因此系统地探究支架的降解规律尤为重要。镁在生理盐水中降解时，主要以镁与水的电化学反应方式进行，损伤形态主要是裂纹和点蚀坑[34-35]，反应方程式(6)如下:

文章来源：《烧结球团》 网址: http://www.sjqtzz.cn/qikandaodu/2021/0409/458.html