摘要
羟基磷灰石(Hydroxyapatite, 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生物医学领域的应用。为了提高复合材料的力学完整性，本研究报道了复合材料的合成、优化及工艺参数对复合材料物理力学性能的影响。羟基磷灰石由生物源经900°C加热制备。L9田口正弦琴使用Nal阵列，co考虑两个处理参数，即HAp粒度(100、300和600)图形抽象 
介绍
羟基磷灰石是一种非常强的组织工程材料[1,2,3]，但力学性能较差[4,5,6]。压实法和烧结温度技术被广泛应用于制造适用于人体骨骼承重的HAp支架[7,8]。压实协议是应用单轴载荷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。有文献报道，颗粒大小对物理、微观结构和力学性能有综合影响[9]。研究也表明，烧结温度的升高会提高HAp的力学性能[4,10]，但对HAp的压实压力和粒径的影响尚未进行充分的探讨。
文献显示，利用田口灰色关联分析(GRA)优化HAp多重生物医学特征的处理条件的研究较少。不同的研究人员采用不同的优化方法来获得加工材料更好的性能响应的加工参数[9,11,12]，但本研究采用了Taguchi-GRA作为多目标优化技术，首次整合了生物医学材料必不可少的性能响应HAp的孔隙率。此外，还对HAp的硬度和抗压性能进行了优化。本研究首次考虑了粒径对HAp物理力学性能的影响。研究了压实压力对HAp多目标特性的定性和定量影响。因此，确定合适的加工条件以获得更好的生物医学特性，并通过交互建模进行验证。本研究采用Minitab 16和Origin 2019软件进行优化和表征分析。由于本研究采用Taguchi-GRA进行整体优化分析，并借助MINITAB软件，因此没有考虑标准差。MINITAB软件对每个应答的三个重复数据取平均值，并将平均值用于GRA。本研究的重点是GRA，提出了GRG值作为多性能生物医学反应。
机械加工
以某屠宰场生物倾倒场为原料，在炉内900℃热合成HAp。用XRD和FTIR对900℃下的RB和HAp进行了表征。
根据Origin软件生成的RB和HAp的XRD数据，利用Scherrer方程(Eq. 1)计算出它们在900℃时的平均晶粒尺寸:
（1)式中，D为XRD光谱上明显峰的平均晶粒尺寸;K是舍勒常数，是x射线波长;为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通过金属砂浆、杵和100、300、600 μm筛网粉碎成粉末。用万能试验机(UTM)在3、6、9 KN的载荷下对三种不同的粉体进行制粒。球团自然干燥24小时，然后在900℃下烧结。设计方法概述见图1。
设计方法
采用显微硬度维氏压痕仪(MV1-PC/Mh-v Cm)对烧结球团进行了力学表征，并用UTM进行了抗压强度分析。接下来，利用式(2)计算烧结球团的孔隙率:
（2）式中P为孔隙率，为HAp的重量，为HAp的体积，为HAp的典型密度，为3.16 g/cm3[10]。
在Minitab 16软件的帮助下，采用田口gra技术对力学数据和孔隙度进行分析。请注意，每个性能响应的三个复制数据都要进行处理，并将其平均到GRA中进行分析。逐级计算数据，得到田口优化的灰色关联度(GRG)。得到GRG的逐级方程如下:
（3）其中xi (k)表示第i次实验的归一化数据，yi (k)表示数据统计均值的初始序列。
（4）， xo (k)， xi (k)分别表示偏差和参考数据。
(5)表示响应数据的灰色关联系数(GRC)，用最小偏差(Δmin)和最大偏差(Δmax)表示。表示从0到1的微分系数(0 1)，但是，通常为每个响应数据分配相等的系数0.5。
（6）表示第i个实验数的GRG值，n为响应总数。
采用方差分析(ANOVA)来检验各加工条件对机械响应的贡献。
结果与讨论
RB和HAp-900的傅里叶变换红外(FT-IR)光谱如图2所示(左图)。FT-IR光谱揭示了磷酸钙基材料的基本成分，即RB和HAp的磷酸基和羟基。另外，在两种样品上也有一些其他官能团的反射，它们是在3600和3000 cm−1左右的O-H波段的特征拉伸模式。二氧化碳约2500 cm - 1，约1700和1200 cm - 1，约960,600和500 cm - 1。在两个样品的所有波段上都注意到RB和HAp的光谱差异。这些差异表明碳酸盐离子取代的程度和煅烧后吸收水的消失。这些峰是磷酸钙基材料特有的特征，与文献一致[13,14]。
生牛骨(RB)和HAp-900(左图)的FTIR光谱;生牛骨(RB)和HAp-900的XRD谱图(右图)
图2(右图)为RB和HAp-900的XRD图谱。Abifarin等人[13]和Kumar等人[15]断言，所有显示为图案的反射都是羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]六方相特有的特征，所获得的图案与Obada等人[2]一致。注意到RB的XRD谱图反射较低，反射范围较宽。这可归因于样品中HAp相的结晶度较低。而900℃煅烧后的反射更明显，反射更窄，表明形成的HAp相结晶度更明显。XRD谱图上RB和HAp-900的突出峰形成于角2处，分别为32.54°和32.40°。这一观察结果与文献[2,7]一致，即磷酸钙基材料在2的30和35度之间确实有明显的峰值。RB和HAp-900的晶粒尺寸分别为3.55 nm和14.18 nm。这些结果从科学上证实了所考虑的峰的XRD波段越宽，晶粒尺寸越小[2,16]。值得注意的是，晶体尺寸只是颗粒尺寸的相对值，而不是实际颗粒尺寸。体积单一粒径有晶粒尺寸，晶粒尺寸包含晶尺寸，晶尺寸包含晶胞，晶胞包含分子/原子[16]。
表1给出了基于田口法设计的9次实验运行的力学数据、孔隙率和GRG值。GRG值越高，二者之间的关系就越牢固[17,18,19]。因此，采用田口设计技术对表1中的GRG值进行分析，结果如图3所示。结果强调了工艺参数的组合可以提高HAp的整体物理力学响应。由图3b可知，GRG值在粒径级别3和压实负荷级别2时最高。也就是说，考虑到三个显著的性能特征，制造承载生物医用HAp支架的最佳工艺条件是600粒径和6 KN压实载荷。在图3a中，相互作用图进一步验证了在3 ~ 6kn压实载荷和500 ~ 600粒径范围内可以获得高GRG值的HAp。支架的力学性能与孔隙率之间没有相关性，因为支架的力学完整性是各种条件的函数。换句话说，硬度测试是通过非破坏性压痕来测试材料对韧性的抵抗能力，而压缩测试是通过压缩来测试材料的破坏性。还要注意的是，GRG是三个特性(硬度、压缩率和孔隙率)的综合性能响应。
粒度和压实载荷对GRG值的影响a交互作用图，b主效应图
为了检验处理条件对HAp的GRG值的显著性和贡献百分比，在95% CI下对灰色关联等级进行了方差分析。综合考虑抗压强度、硬度和孔隙率三种响应，由表2可知，粒径对GRG值的贡献最大，为49.76%，其次是压实载荷，贡献27.28%，最后是残差，贡献22.96%。这一定量数据也得到了图2b所示定性数据的验证。R值较低且不接近意味着残差的影响，因此建议对其他可能影响HAp整体物理力学性能的因素进行更深入的研究。
有限公司结论和建议
以牛骨为原料成功合成了羟基磷灰石并对其进行了表征。FTIR和XRD谱图证实了HAp特有的XRD峰和官能团谱。本研究首次提出了在考虑粒径的情况下，制造适合生物医学承载应用的聚羟基磷灰石的最佳设置条件。结果表明，600粒径和6 KN压实载荷是制备生物医学增强HAp的最佳工艺条件。本研究建议进一步分析所生产的HAp的其他重要加工条件。此外，生物和机械可靠性是一个值得进一步研究的问题。
