TECHNOLOGY FOR PROCESSING COMPOSITE MATERIALS BASED ON POLYLACTIDE USING 3D PRINTING: PROPERTIES AND STRUCTURE
Authors: Тимофеева Н.Ф. , Лазарева Н.Н. , Охлопкова А.А. , Капитонова Ю.В. , Тобонова Т.И. 
Published: January 2024

Полилактид (ПЛА) является одним из перспективных полимерных материалов для применения в различных областях медицины благодаря своим свойствам, таким, как биосовместимость и биоразлагаемость, а также является наиболее используемым материалом для 3D-печати. Благодаря применению аддитивных технологий возможно создание различных медицинских изделий сложной геометрической формы. Для улучшения совместимости с костной тканью ПЛА модифицируют биосовместимыми наполнителями, такими как гидроксиапатит кальция (ГАК). ГАК является одним из востребованных минеральных компонентов для создания материалов, предназначенных для реконструкции дефектов костей. В данной работе рассматривается технология переработки полимерных композиционных материалов на основе полилактида с введением в качестве наполнителя гидроксиапатита кальция (ГАК) для создания филаментов, используемых в 3D-печати. Показано, что добавление ГАК приводит к увеличению модуля упругости на 47% и прочности при сжатии при относительной деформации 25% на 27% относительно исходного полимера. Для подбора оптимального метода получения композита на основе ПЛА и ГАК были исследованы образцы ПЛА, полученные методом экструзии и 3D-печати. Показано, что методом 3D-печати при степени заполнения 80 % достигается улучшение физико-механических показателей материала и характеризуемый низкой пористостью. Методами ИК-спектроскопии показано, что у композита на основе ПЛА, содержащего 20 мас. % ГАК зафиксированы пики 565 см-1и 601 см-1 относящиеся к ГАК, однако не зафиксировано химического взаимодействия между ПЛА и ГАК. Методом СЭМ показано, что наполнители плохо смачиваются полилактидом и поэтому частицы ГАК находятся в пузырях ПЛА. Кроме того, видна агломерация порошка наполнителя, что приводит к снижению прочности материала при разрыве.

Polylactide (PLA) is one of the promising polymer materials for use in various medical fields due to its properties such as biocompatibility and biodegradability, and PLA is also the most used material for 3D printing. Creating of various medical products with complex geometric shapes is possible due to the use of additive technologies. PLA is modified by biocompatible fillers such as calcium hydroxyapatite (CaHA) to improve compatibility with bone tissue. CaHA is one of the sought-after mineral components for the creation of materials intended for the reconstruction of bone defects. In this paper the technology of processing of polymer composite materials based on polylactide and calcium hydroxyapatite (CaHA) as a filler to create filaments used in 3D printing is examined. It was shown that the addition of CaHA leads to an increase of elastic modulus by 47% and compressive strength at a relative strain of 25% by 27% compared to the original polymer. PLA samples obtained by extrusion and 3D printing were studied to select the optimal method for producing a composite based on PLA and CaHA. It was shown that the improvement of physical and mechanical properties of the material with low porosity is achieved using 3D printing method with a filling degree of 80%. The peaks at 565 cm-1 and 601 cm-1 related to CaHA of PLA-based composite containing 20 wt. % CaHA were recorded using IR spectroscopy methods, but they are not confirmation of chemical interaction between PLA and CaHA. The SEM method showed that fillers are poorly wetted by polylactide and therefore CaHA particles are located in PLA bubbles. In addition, agglomeration of the filler powder is visible, which leads to a decrease in the tensile strength of the material.