通過燒結和多目标優化技術機械加工羟基磷灰石用于生物醫學應用
抽象的
羟基磷灰石(HAp)在組織工程領域有着廣泛的應用，但其較差的力學性能限制了其在承重生物醫學領域的應用。為了提高 HAp 的機械完整性，本研究報告了 HAp 實體機械性能的合成、優化和加工參數的重要性。HAp 是在 900 °C 下從生物來源産生的。采用 L9 田口正交陣列，考慮兩個處理參數，即 HAp 粒徑 (100、300 和 600 微米_μm) 和壓實載荷（3、6 和 9 KN）。對原始骨骼 (RB) 和合成的 HAp 進行相結構和官能團分析。分析顯示了典型磷酸鈣材料的特性。多重響應優化表明，600 粒徑6 KN壓實載荷是制造高生物醫學性能HAp的最佳工藝參數。
羟基磷灰石是一種非常堅固的組織工程材料，但機械性能較差壓實方法和燒結溫度技術廣泛用于制造适用于人體骨骼承重應用的 HAp 支架 壓實方案是應用單軸加載來提高幹粉材料的密度。燒結溫度是影響陶瓷微觀結構和力學性能的重要參數。據文獻報道，粒度對實體、微觀結構和機械性能具有綜合影響 。研究還表明，燒結溫度的升高會提高 HAp 的機械性能 ，但是，HAp 的壓實壓力和粒徑的影響尚未得到充分探索。
關于使用田口灰色關聯分析 (GRA) 優化 HAp 多種生物醫學特性的加工條件的研究較少。不同的研究人員采用不同的優化方法來獲得加工參數，以獲得加工材料的更好性能響應，但這項研究采用 Taguchi-GRA 作為多目标優化技術，首次整合了 HAp 的孔隙率，這是生物醫學材料的基本性能響應。此外，還優化了 HAp 的硬度和壓縮特性。
本研究首次考慮了粒徑對 HAp 實體和機械性能的影響。還研究了壓實壓力對多目标特征 HAp 的定量和定性影響。是以，通過互動模組化确定并驗證了獲得更好生物醫學特性的合适加工條件。本研究使用 Minitab 16 和 Origin 2019 軟體進行優化和表征分析。沒有考慮标準偏差，因為本研究在 MINITAB 軟體的幫助下使用 Taguchi-GRA 進行了整體優化分析。MINITAB 軟體對每個響應的三個重複資料進行平均，并将平均值用于 GRA。本研究的具體重點是 GRA，它提出了 GRG 值作為多性能生物醫學反應。
機械加工
HAp 是通過在爐中 900 °C 的熱合成從屠宰場的生物源傾倒場合成的。使用 XRD 和 FTIR 機器對 900 °C (HAp-900) 下的 RB 和 HAp 進行了表征。
RB 和 HAp 在 900 °C 下的平均微晶尺寸是使用 Scherrer 方程從 Origin 軟體生成的 XRD 資料
其中 D 是 XRD 光譜上注意到的顯着峰的平均微晶尺寸；K為謝樂常數，為X射線波長；是以弧度為機關的展寬角；是以 弧度為機關的布拉格角。
将合成的 HAp 通過金屬研缽和研杵以及 100、300 和 600 μm 目篩制成粉末。三種不同的粉末在 3、6 和 9 KN 負載下用萬能試驗機 (UTM) 造粒。在随後将顆粒在 900 °C 下燒結之前，将顆粒自然幹燥 24 小時。
所有燒結顆粒均使用顯微硬度維氏壓痕測試儀 (MV1-PC/Mh-v Cm) 進行機械表征，并使用 UTM 進行抗壓強度分析。
其中P是孔隙率，是 HAp 的重量，是 HAp 的體積，是 HAp 的典型密度，為 3.16 g/cm 3 。WHAp _WHApVHAp _VHAp丁HAp _DHAp
在 Minitab 16 軟體的幫助下，使用 Taguchi-GRA 技術分析了機械資料和孔隙率。請注意，每個性能響應的三個複制資料都經過處理并平均到 GRA 中進行分析。逐漸計算資料以獲得田口優化的灰色關聯度（GRG）。
RB 和 HAp-900 的傅裡葉變換紅外 (FT-IR) 光譜。FT-IR 光譜揭示了基于磷酸鈣的材料的基本成分，即 RB 和 HAp 的磷酸鹽和羟基。此外，兩個樣品上還存在一些其他官能團的反映，它們是O-H帶在約3600和3000 cm -1處的特征拉伸模式。CO 2大約 2500 cm -1，大約 1700 和 1200 cm -1，以及大約 960、600 和 500 cm -1C歐2 -3個CO32−P歐3 -4個PO43−. 對于兩個樣品的所有波段，注意到 RB 和 HAp 的光譜之間的差異。這些差異表明碳酸根離子取代的程度和煅燒後吸收水的消失。
