Laminated object manufacturing of bioactive ceramic implants

生物活性陶瓷植入物的层压物体制造

基本信息

项目摘要

Laminated object manufacturing of resorbable calcium phosphate ceramics for bone replacement and osteosynthesis implants will be explored. Multilayer implant structures of variable shape will be build up from ceramic tapes consisiting either of single phase ß-TCP (Ca3(PO4)2) or biphasic mixtures (BCP) of ß-TCP and HAP (Ca5(PO4)OH). Loading capacity of osteosynthesis implant devices will be improved by generation of compression surface stresses. Either a single surface layer sandwich or a gradient layer structure design both with an outer surface layer having a lower thermal expansion compared to the inner core layers will give rise for surface residual stresses upon cooling from sintering temperature. Tailoring of the thermal expansion behaviour will be envisaged by two approaches: i) partial substitution of Mg2+ for Ca2+ in the ß-TCP crystal lattice causes a reduction of thermal expansion coefficient from 20 x 10-6/°C at 0 wt. % Mg to 9 x 10-6/°C at 4.5 wt. % Mg. ii) biphasic mix-tures of ß-TCP with increasing amount of HAP show a decreasing thermal expansion co-efficient (HAP: 10 x 10-6 /°C) and an increasing Young´s modulus (HAP 80 GPa – TCP 30 GPa). A demonstrator device of a resorbable implant (osteosynthesis plate) will be manufactured. The resulting mechanical behaviour of multilayer implant design reinforced by surface stresses will be analysed and compared to residual stress free design of a homogeneous implant structure.
将探索用于骨替代和骨缝合植入物的可吸收磷酸钙陶瓷的层压物体制造。不同形状的多层种植体结构将由陶瓷带构建而成,陶瓷带由单相 ß-TCP (Ca3(PO4)2) 或 ß-TCP 和 HAP (Ca5(PO4)OH) 的双相混合物 (BCP) 组成。骨缝合植入装置的负载能力将通过压缩表面应力的产生而提高。无论是单表面层夹层还是梯度层结构设计,其外表面层与内芯层相比具有较低的热膨胀,将在从烧结温度冷却时产生表面残余应力。热膨胀行为的定制将通过两种方法来设想: i) 在 ß-TCP 晶格中用 Mg2+ 部分替代 Ca2+ 导致热膨胀系数从 0 wt 时的 20 x 10-6/°C 降低。 % Mg 至 9 x 10-6/°C at 4.5 wt. % 镁。 ii) 随着 HAP 量的增加,ß-TCP 的双相混合物表现出热膨胀系数降低(HAP:10 x 10-6 /°C)和杨氏模量增加(HAP 80 GPa – TCP 30 GPa)。将制造可吸收植入物(接骨板)的演示装置。将分析由表面应力增强的多层植入物设计所产生的机械行为,并将其与均质植入物结构的无残余应力设计进行比较。

项目成果

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