通过烧结和多目标优化技术机械加工羟基磷灰石用于生物医学应用
抽象的
羟基磷灰石(HAp)在组织工程领域有着广泛的应用，但其较差的力学性能限制了其在承重生物医学领域的应用。为了提高 HAp 的机械完整性，本研究报告了 HAp 物理机械性能的合成、优化和加工参数的重要性。HAp 是在 900 °C 下从生物来源产生的。采用 L9 田口正交阵列，考虑两个处理参数，即 HAp 粒径 (100、300 和 600 微米_μm) 和压实载荷（3、6 和 9 KN）。对原始骨骼 (RB) 和合成的 HAp 进行相结构和官能团分析。分析显示了典型磷酸钙材料的特性。多重响应优化表明，600 粒径6 KN压实载荷是制造高生物医学性能HAp的最佳工艺参数。
羟基磷灰石是一种非常坚固的组织工程材料，但机械性能较差压实方法和烧结温度技术广泛用于制造适用于人体骨骼承重应用的 HAp 支架 压实方案是应用单轴加载来提高干粉材料的密度。烧结温度是影响陶瓷微观结构和力学性能的重要参数。据文献报道，粒度对物理、微观结构和机械性能具有综合影响 。研究还表明，烧结温度的升高会提高 HAp 的机械性能 ，但是，HAp 的压实压力和粒径的影响尚未得到充分探索。
关于使用田口灰色关联分析 (GRA) 优化 HAp 多种生物医学特性的加工条件的研究较少。不同的研究人员采用不同的优化方法来获得加工参数，以获得加工材料的更好性能响应，但这项研究采用 Taguchi-GRA 作为多目标优化技术，首次整合了 HAp 的孔隙率，这是生物医学材料的基本性能响应。此外，还优化了 HAp 的硬度和压缩特性。
本研究首次考虑了粒径对 HAp 物理和机械性能的影响。还研究了压实压力对多目标特征 HAp 的定量和定性影响。因此，通过交互建模确定并验证了获得更好生物医学特性的合适加工条件。本研究使用 Minitab 16 和 Origin 2019 软件进行优化和表征分析。没有考虑标准偏差，因为本研究在 MINITAB 软件的帮助下使用 Taguchi-GRA 进行了整体优化分析。MINITAB 软件对每个响应的三个重复数据进行平均，并将平均值用于 GRA。本研究的具体重点是 GRA，它提出了 GRG 值作为多性能生物医学反应。
机械加工
HAp 是通过在炉中 900 °C 的热合成从屠宰场的生物源倾倒场合成的。使用 XRD 和 FTIR 机器对 900 °C (HAp-900) 下的 RB 和 HAp 进行了表征。
RB 和 HAp 在 900 °C 下的平均微晶尺寸是使用 Scherrer 方程从 Origin 软件生成的 XRD 数据
其中 D 是 XRD 光谱上注意到的显着峰的平均微晶尺寸；K为谢乐常数，为X射线波长；是以弧度为单位的展宽角；是以 弧度为单位的布拉格角。
将合成的 HAp 通过金属研钵和研杵以及 100、300 和 600 μm 目筛制成粉末。三种不同的粉末在 3、6 和 9 KN 负载下用万能试验机 (UTM) 造粒。在随后将颗粒在 900 °C 下烧结之前，将颗粒自然干燥 24 小时。
所有烧结颗粒均使用显微硬度维氏压痕测试仪 (MV1-PC/Mh-v Cm) 进行机械表征，并使用 UTM 进行抗压强度分析。
其中P是孔隙率，是 HAp 的重量，是 HAp 的体积，是 HAp 的典型密度，为 3.16 g/cm 3 。WHAp _WHApVHAp _VHAp丁HAp _DHAp
在 Minitab 16 软件的帮助下，使用 Taguchi-GRA 技术分析了机械数据和孔隙率。请注意，每个性能响应的三个复制数据都经过处理并平均到 GRA 中进行分析。逐步计算数据以获得田口优化的灰色关联度（GRG）。
RB 和 HAp-900 的傅里叶变换红外 (FT-IR) 光谱。FT-IR 光谱揭示了基于磷酸钙的材料的基本成分，即 RB 和 HAp 的磷酸盐和羟基。此外，两个样品上还存在一些其他官能团的反映，它们是O-H带在约3600和3000 cm -1处的特征拉伸模式。CO 2大约 2500 cm -1，大约 1700 和 1200 cm -1，以及大约 960、600 和 500 cm -1C欧2 -3个CO32−P欧3 -4个PO43−. 对于两个样品的所有波段，注意到 RB 和 HAp 的光谱之间的差异。这些差异表明碳酸根离子取代的程度和煅烧后吸收水的消失。
