3D打印三周期极小曲面多孔钽仿生骨支架结构设计及力学性能研究

摘要

为了实现植入物与人体骨在生物力学和细胞相容性方面的匹配，综合评价了钽点阵结构的力学性能和渗透性能，以寻求可应用于钽多孔骨支架的最佳点阵结构。基于三周期极小曲面的不同建模方法，设计了6种类型的单元体结构，通过选区激光熔化工艺制备了相关钽点阵结构试样。通过准静态压缩试验获得点阵结构的力学性能，并记录破坏过程；基于有限元软件Abaqus建立相对应的压缩模型，获取压缩过程中应力应变的变化；利用COMSOL软件对点阵结构的渗透性能进行模拟分析。结果表明：片状结构的弹性模量、屈服强度和能量吸收均高于杆状结构，渗透率则低于杆状结构；G型和F-KS型杆状结构在50%应变下出现了脆性断裂的裂口；6种钽点阵结构的弹性模量为3.8～6.1 GPa,屈服强度为47～107 MPa,介于皮质骨和松质骨的范围内；6种结构的渗透率为6.5×10^-10～3.97×10^-9 m²,均在骨小梁的渗透率范围内。研究结果表明，所设计的钽点阵结构适用于骨支架，综合性能最好的是G型片状结构。

关键词

3D打印 / 选区激光熔化 / 三周期极小曲面 / 多孔钽 / 骨支架 / 渗透性

基金资助

国家自然科学基金资助项目(52065063); 新疆维吾尔自治区自然科学基金资助项目(2023D01A86)