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聚乳酸3d打印材料的应用

现在3D打印机能够打印的类型越来越多,金属类的3D打印材料存在硬度高,不易成型的缺陷。而聚乳酸具有一定的抗拉强度及延展性,其成型工艺简单。因此,聚乳酸3D打印材料具有广泛应用,它可以采用各种普通加工方式生产,例如:熔化挤出成型,射出成型,吹膜成型,发泡成型及真空成型,与广泛使用的聚合物有类似的成形条件,此外它也具有与传统薄膜相同的印刷性能。

(一)聚乳酸材料的优异性能:

(1)聚乳酸是一种新型的生物降解材料,使用可再生的植物资源(如玉米)所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由发酵过程制成乳酸,再通过化学合成转换成聚乳酸。因此,它具有良好的生物可降解性。

(2)聚乳酸拥有良好的光泽性和透明度,与聚苯乙烯所制的薄膜相当,是一种可降解的高透明性聚合物。

(3)聚乳酸具有良好的抗拉强度及延展度,可加工性强,适用于各种加工方式,如:熔化挤出成型、射出成型、吹膜成型、发泡成型及真空成型。在3D打印中,聚乳酸良好的流变性能和可加工性,保证了其对FDM工艺的适应性。

(4)聚乳酸薄膜具有良好的透气性、透氧性及透二氧化碳性能,并具备优良抑菌及抗霉特性,因此,在3D打印制备生物医用材料中具有广阔的市场前景。

(二)聚乳酸材料的克服的缺点:

(1)聚乳酸中有大量的醋键,亲水性差,降低了它与其他物质的互容能力。

(2)聚乳酸的相对分子量过大,聚乳酸本身又为线性聚合物,使得聚乳酸材料的脆性高,强度往往难以保障。同时其热变形温度低、抗冲击性差,也在一定程度上制约了它的发展。

(3)聚乳酸降解周期难以控制,导致产品的服务期难以确定。

(4)聚乳酸生产价格较高,较难以实现大众化应用。

聚乳酸3D打印材料

(三)聚乳酸材料在3D打印中的应用:

PLA(聚乳酸)材料因其卓越的可加工性和生物降解性能,已成为目前市面上所有FDM技术的桌面型3D打印机最常使用的材料。由于聚乳酸具有可快速降解,良好的热塑性、机械加工性、生物相容性及较低的熔体强度等优异性能,所以它的打印模型更易塑型,表面光泽,色彩艳丽。

聚乳酸在3D打印过程中不会像ABS塑料线材那样释放出刺鼻的气味,同时它的变形率小,仅是ABS耗材的1/10到1/5,聚乳酸3D打印耗材产品强度高,韧性好,线径精准,色泽均匀,熔点稳定。它在3D打印应用中的特点是具有很好的生物相容性,进入生物体内后可以降解成乳酸,通过代谢排出体外。此外,聚乳酸在汽车工业和电子领域的应用也逐渐为人们所接受。

生物医药行业是聚乳酸最早开展应用的领域,同时,聚乳酸也是3D打印在生物医用领域最具发展前景的材料。聚乳酸对人体有高度安全性并可被组织吸收,加之其优良的物理机械性能,可应用在生物医药的诸多领域,如一次性输液工具、免拆型手术缝合线、药物缓解包装剂、人造骨折内固定材料、组织修复材料、人造皮肤等。传统血管支架通常由记忆金属编制而成,在通过血管被置入设定的位置后,自动撑开承担扩张血管通道的使命。然而,金属支架的问题在于无法降解。也就是说,除非人为将支架取出,它将永远留在体内,由此带来的组织增生等并发症和因长久停留对人体造成的不利影响可以想象。

而使用聚乳酸作为3D打印耗材,利用其良好的生物材料的生物相容性、可降解性和材料自身的形状记忆功能,打印心脏支架则可有效克服上述缺陷。目前,高分子量的聚乳酸有非常高的力学性能,在欧美等国已被用来替代不锈钢,作为新型的骨科内固定材料如骨钉、骨板而被大量使用,其可被人体吸收代谢的特性使病人免受了二次开刀之苦。采用3D打印技术用聚乳酸制备接骨板等生物医用材料的研究也屡见报道。

然而,聚乳酸作为3D打印耗材也有其天然的劣势。比如,打印出来的物体性脆,抗冲击能力不足;此外,聚乳酸的耐高温性较差,物体打印出来后在高温环境下就会直接变形等问题,也在一定程度上影响了聚乳酸在3D打印领域的应用。而台湾工业技术研究院研制了一种PLA混合物,其抵抗温度能达到100℃,这一性能或许能提高PLA打印部件的精度。

近年来,聚乳酸在3D打印领域的应用实例不胜枚举。比如ZhuoXiong,Zeltinger等人分别利用精细喷射制造技术(PEM)和3D打印技术成功制造出多孔聚乳酸Porouspoly(L-lacticacid)组织工程支架,经评估认为该支架具有潜在的组织再生能力。ZhangChao等考虑到材料的安全性及生物相容性,采用聚乳酸丝(PLA丝),通过FDM原理将PI一丝热熔后喷射沉积定型,打印出具有实际应用价值的接骨导板。孙昊等在下领骨接骨牵引术中,使用PLA通过3D打印技术制备了接骨导板,指导术中接骨及牵张器的安置。陈霞云等利用3D打印技术制作个体化接骨导板,应用在口内进路下领升支垂直截骨术中,用于治疗下领前突,并评估了该接骨导板的准确性。李建平等利用3D打印技术制作眶颧复合体骨折复位导板,术中置人导板指引骨折复位,结果显示骨折复位良好,与对侧保持了较好的对称性。

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