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3D打印人工骨原理与技术

【作者】：帅词俊景琳淑平吴萍
【出版时间】：2016-03-01
【字数】：300（千字）
【定价】：￥68（元）
【出版社】：中南大学出版社
【ISBN】：978-7-5487-2195-6
【页码】：（页）
【开本】：16开

本书以面向临床需求的高性能人工骨制造为核心，增强其机械和生物性能，从而实现骨再生修复的目标，结合人工骨激光3D打印成型、多孔结构可控制备、干细胞定向诱导分化等制造工艺，开展了系统的基础与技术研究，解决了常规陶瓷人工骨脆性大、韧性低以及诱导成骨能力不足等一系列难题。

本书由中南大学和湘潭大学长期从事激光生物制造领域相关研究和教学工作的教师编写而成。其中，人工骨支架的微结构分析和烧结机理部分由帅词俊撰写；激光烧结工艺部分由刘景琳撰写，生物活性实验部分由彭淑平撰写，细胞培养实验部分由吴萍撰写。另外，感谢高成德、冯佩、聂毅、杨博、李鹏健、庄静宇、韩子凯和邓俊杰等研究生为本书撰写所进行的测试、插图、编排和整理等工作。最后，在撰写本书过程中，参阅了大量的国内外文献，在此向这些文献的作者表示感谢。

人工骨支架材料和制备技术发展日新月异，本书内容若有不妥之处，欢迎专家学者以及使用本书的教师、学生和工程技术人员提出宝贵意见，以便今后不断改进。

第1章绪论 （1）
1.1 人工骨概述（1）
1.1.1 人工骨市场需求（1）
1.1.2 人工骨性能要求（2）
1.1.3 人工骨材料分类（2）
1.2 人工骨支架的制备方法（4）
1.2.1 传统制备方法（4）
1.2.2 快速成型制备方法（6）
1.3 人工骨支架的发展趋势（10）
第2章羟基磷灰石人工骨 （12）
2.1 选择性激光技术（SLS）制备纳米多孔HAP人工骨及工艺研究 （12）
2.1.1 选择性激光烧结制备纳米多孔HAP人工骨（12）
2.1.2 工艺参数对纳米多孔HAP人工骨微观结构的影响规律 （13）
2.1.3 纳米HAP人工骨机械性能演变规律与形成机理（28）
2.1.4 纳米HAP粉末的激光烧结成型机理研究（31）
2.2 HAP烧结性能改善的实验研究（32）
2.2.1 烧结样的制备与性能表征（32）
2.2.2 添加少量PLLA改善HAP烧结性能的工艺规律（33）
2.2.3 添加少量PLLA改善HAP烧结性能的作用机理（45）
2.3 纳米氧化硅和碳纳米管增强陶瓷骨支架的性能研究（48）
2.3.1 实验材料及方法（49）
2.3.2 Nano-SiO2和CNTs对支架微观结构的影响（49）
2.3.3 Nano-SiO2和CNTs对支架性能的影响（53）
2.3.4 Nano-SiO2和CNTs对支架机械性能增强机理分析（54）
2.4 本章小结（55）
第3章磷酸三钙人工骨 （57）
3.1 选择性激光烧结多孔陶瓷骨支架的制备及性能研究（57）
3.1.1 选择性激光烧结制备多孔陶瓷骨支架（57）
3.1.2 多孔骨支架的设计和制备（59）
3.1.3 激光扫描速度对支架晶粒大小和机械性能的影响（61）
3.1.4 机械性能和细胞黏附性能同微观结构的关联规律（64）
3.1.5 多孔骨支架的生物活性（66）
3.2 氧化锌增强多孔陶瓷骨支架的性能研究（69）
3.2.1 氧化锌增强的多孔陶瓷骨支架的制备（69）
3.2.2 氧化锌含量对骨支架微观结构的影响（71）
3.2.3 氧化锌含量对骨支架性能的影响（72）
3.2.4 增强后骨支架的生物活性（75）
3.3 二氧化硅和氧化镁对支架生物性能与机械性能的影响（78）
3.3.1 掺杂SiO2和MgO陶瓷支架的设计与制备（79）
3.3.2 SiO2和MgO对支架物相组成的影响（81）
3.3.3 SiO2和MgO对支架机械性能的影响（83）
3.3.4 SiO2和MgO对支架生物学性能的影响（84）
3.4 引入瞬态液相制备骨支架的机理及工艺（88）
3.4.1 多孔骨支架的制备（88）
3.4.2 工艺参数对骨支架微观结构的影响（89）
3.4.3 引入瞬态液相制备骨支架的机理（99）
3.4.4 引入瞬态液相制备骨支架的机械性能（100）
3.4.5 引入瞬态液相制备骨支架的生物学性能（103）
3.5 本章小结（108）
第4章硅酸钙人工骨 （110）
4.1 多孔硅酸钙陶瓷支架的制备及成型机理研究（110）
4.1.1 激光功率对硅酸钙支架微观结构的影响（110）
4.1.2 激光功率对硅酸钙支架机械性能的影响（113）
4.1.3 硅酸钙支架生物学性能（115）
4.1.4 硅酸钙支架制备（119）
4.2 纳米氧化锆增强多孔陶瓷骨支架的性能研究（120）
4.2.1 Nano-ZrO2增强的多孔陶瓷骨支架的制备（120）
4.2.2 Nano-ZrO2含量对骨支架微观结构的影响（122）
4.2.3 Nano-ZrO2含量对骨支架性能的影响（125）
4.3 羟基磷灰石晶须增强多孔陶瓷骨支架的性能研究（129）
4.3.1 HAP晶须增强骨支架的制备（129）
4.3.2 HAP晶须对支架机械性能的影响（130）
4.3.3 HAP晶须对支架微观结构的影响（131）
4.3.4 HAP晶须对支架物相组成的影响（134）
4.3.5 HAP晶须增强骨支架的生物活性（135）
4.4 本章小结（136）
第5章镁黄长石人工骨 （138）
5.1 镁黄长石人工骨的制备及性能（138）
5.1.1 镁黄长石人工骨的制备（138）
5.1.2 工艺参数对镁黄长石人工骨微观结构的影响（139）
5.1.3 镁黄长石人工骨生物学性能（142）
5.1.4 镁黄长石人工骨的细胞黏附增殖性能（144）
5.2 碳化硅晶须增强镁黄长石多孔人工骨的性能（145）
5.2.1 SiC晶须增强的复合人工骨的制备（146）
5.2.2 SiC晶须对复合人工骨微观结构的影响（147）
5.2.3 SiC晶须对复合人工骨力学性能的影响（149）
5.2.4 SiC晶须/镁黄长石复合人工骨的生物学性能（150）
5.2.5 SiC晶须/镁黄长石复合人工骨细胞黏附、增殖和分化性能 （152）
5.3 氮化硼纳米片增强镁黄长石多孔人工骨的性能研究（154）
5.3.1 BN纳米片/镁黄长石复合人工骨的微观结构（155）
5.3.2 BN纳米片/镁黄长石复合人工骨的力学性能（157）
5.3.3 BN纳米片/镁黄长石复合人工骨的生物学性能（159）
5.3.4 BN纳米片/镁黄长石复合人工骨的细胞黏附和增殖性能 （161）
5.4 本章小结（163）
第6章镁橄榄石人工骨 （164）
6.1 镁橄榄石支架的制备及性能研究（164）
6.1.1 选择性激光烧结多孔镁橄榄石支架的制备（164）
6.1.2 激光功率对支架微观结构的影响（165）
6.1.3 激光功率对支架机械性能的影响（166）
6.1.4 镁橄榄石支架的生物学性能研究（168）
6.2 纳米58S BG增强镁橄榄石支架生物学性能的研究（169）
6.2.1 镁橄榄石/Nano-58S BG复合支架的制备（169）
6.2.2 Nano-58S BG对复合支架物相组成的影响（171）
6.2.3 Nano-58S BG对复合支架生物学性能的影响（172）
6.2.4 Nano-58S BG对复合支架力学性能的影响（178）
6.3 T-ZnOw增强镁橄榄石/58S BG复合支架力学性能研究（179）
6.3.1 T-ZnOw增强的多孔镁橄榄石/58S BG复合支架的制备 （179）
6.3.2 T-ZnOw对复合支架力学性能的影响（180）
6.3.3 T-ZnOw对复合支架物相组成的影响（181）
6.3.4 T-ZnOw增强复合支架的机理研究（182）
6.3.5 T-ZnOw对复合支架生物相容性的研究（187）
6.4 本章小结（188）
第7章聚合物人工骨 （190）
7.1 多孔聚乙烯醇支架的制备及成性机理研究（190）
7.1.1 聚乙烯醇复杂多孔支架设计及制备（190）
7.1.2 激光功率对聚乙烯醇支架微观结构影响（192）
7.1.3 聚乙烯醇支架的机械性能和孔隙率（196）
7.1.4 复杂多孔聚乙烯醇支架生物学性能（198）
7.2 纳米羟基磷灰石增强多孔聚合物骨支架的性能研究（199）
7.2.1 工艺参数对多孔骨支架微观结构和性能的影响（200）
7.2.2 Nano-HAP含量对骨支架微观结构和性能的影响（204）
7.2.3 多孔支架的设计和制备（207）
7.3 聚乙烯醇/硅酸钙复合骨支架的制备及成性机理研究（209）
7.3.1 聚乙烯醇/硅酸钙复合骨支架设计与制备（209）
7.3.2 聚乙烯醇/硅酸钙复合支架微观结构（210）
7.3.3 聚乙烯醇/硅酸钙复合支架机械性能（213）
7.3.4 聚乙烯醇/硅酸钙复合支架生物学性能（214）
7.4 本章小结（216）
第8章复合材料人工骨 （218）
8.1 磷酸三钙/羟基磷灰石双相陶瓷支架的降解性能研究（218）
8.1.1 TCP/HAP双相陶瓷支架的制备（218）
8.1.2 TCP/HAP双相陶瓷支架的物相组成（218）
8.1.3 TCP/HAP双相陶瓷支架的降解性能（219）
8.1.4 TCP/HAP双相陶瓷支架的细胞相容性（223）
8.2 表面结构对人工骨支架生物相容性的影响（224）
8.2.1 人工骨支架表面结构（224）
8.2.2 表面结构对人工骨支架生物相容性的影响（227）
8.3 本章小结（230）
参考文献（232）

骨缺损和骨折已成为影响人们健康和生活的严重社会问题。据统计，全球每年大约进行220万例移植骨手术来进行骨愈合、缺陷填补或脊髓病变修复。全球每年受骨质疏松症影响的人有1000万，预计到2020年这个数字将会达到1400万。在美国有超过620万骨折患者，其中有超过10％不能正常愈合，对我国这样拥有13亿人口的大国来说，潜在的市场需求是显而易见的。全球范围内对骨移植替代物需求的增长以及目前治疗的缺陷激发了人们对骨替代物的探索。

骨组织工程是利用生物活性材料，研制具有仿生结构的人工骨，再通过体外培养的方法修复器官及组织。该学科的出现为治疗骨缺损提供了一条新的途径，且已成为骨修复领域的发展趋势。骨组织工程的研究热点是寻找兼顾优良生物学性能和力学性能的人工骨。人工骨作为成骨细胞的载体，起着为成骨细胞的生长提供充足的营养物质和生存空间的重要作用，是骨组织再生的桥梁。因此研究人工骨的制备工艺，探索人工骨最佳的材料属性、三维结构、机械强度和生物学性能具有重要意义。

选择性激光烧结技术（3D打印技术）是一种利用激光作为能量源烧结粉末材料加工成型的快速成型技术。它集成了计算机辅助设计/制造技术、数控技术、激光技术和材料科学等先进技术，可以在不使用任何工装模具的条件下快速制造任意复杂结构的实体模型和产品。该技术具有成型材料范围广、材料利用率高、成型精度高、可以制造任意复杂形状等优点。因此，选择性激光烧结技术是当前发展迅速、应用广泛的快速原型制造技术之一，也是制备人工骨的理想技术。

著者

2016年3月