结构尺寸对Ti6Al4V多孔结构力学性能的影响

采用激光选区熔化技术制造了不同单元结构尺寸（1~6 mm）、孔隙率（40~80%）的拓扑优化多孔阵列结构,研究了单元结构尺寸对其压缩形变规律和弹性性能的影响。结果表明,多孔阵列结构的抗压强度、弹性模量均与单元结构尺寸成反比,抗压强度在126~199 MPa,弹性模量在3.5~55.47 GPa;压缩应力-应变曲线与单元结构尺寸有关,分别遵循弹性、弹脆性和脆性多孔材料三种应力应变规律;通过数值模拟多孔阵列结构的压缩形变过程,解释了两种45°断裂带的成因,力学性能与实验结果基本吻合;利用Gibson-Ashby模型评价多孔结构的稳定性,稳定性参数C与单元结构尺寸成反比;给出Gibson-Ashby拟合方程,特征参数n随单元结构尺寸增加而增大;建立了单元结构尺寸、相对密度和相对弹性模量的三维曲面数学模型,提出骨植入体的设计区域。     

结构尺寸对多孔Ti6Al4V力学性能的影响

采用激光选区熔化技术制造了不同单元结构尺寸(1～6 mm)、孔隙率(40%～80%)的拓扑优化多孔阵列结构,研究了单元结构尺寸对其压缩形变规律和弹性性能的影响。结果表明,多孔阵列结构的抗压强度、弹性模量均与单元结构尺寸成反比,抗压强度在126～199 MPa,弹性模量在3.5～55.47 GPa;压缩应力-应变曲线与单元结构尺寸有关,分别遵循弹性、弹脆性和脆性多孔材料3种应力应变规律;通过数值模拟多孔阵列结构的压缩形变过程,解释了2种45°断裂带的成因,力学性能与实验结果基本吻合;利用Gibson-Ashby模型评价多孔结构的稳定性,稳定性参数C与单元结构尺寸成反比;给出Gibson-Ashby拟合方程,特征参数n随单元结构尺寸增加而增大;建立了单元结构尺寸、相对密度和相对弹性模量的三维曲面数学模型,提出骨植入体的设计区域。     

可控多孔结构生物活性钛的制备及其体外细胞培养

采用电子束熔化（EBM）成形工艺,制造具有可控多孔结构的Ti6Al4V植入体,分析测试其微观孔隙结构特征、孔隙率以及力学性能。扫描电镜观测结果表明,所制备的钛合金植入体孔隙结构特征与设计结构相符合,证明EBM技术能够实现钛合金植入体孔隙结构的控制;测得多孔植入体的孔隙率为60.1%,相应的抗压强度为163 MPa,弹性模量为14 GPa,与人体骨组织弹性模量相近。利用改进的碱热处理方法进行表面改性,并浸泡在模拟体液中以诱导磷灰石的形成。体外细胞培养试验结果表明,培养7 d后成骨细胞在改性的试件表面大量粘附、生长、增殖     

钛合金变形Gyroid单元多孔结构设计与分析

三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surfaces,TPMS)多孔结构研究广泛,但变形TPMS多孔结构研究较少,而变形TPMS多孔结构在一定方向上的力学性能存在潜在优势。研究Gyroid单元多孔结构的参数化设计方法,采用选择性激光熔融成型技术(Selective Laser Melting,SLM)制备出孔隙率为60%和75%的常规和变形Gyroid单元多孔钛合金样件。通过Micro-CT观察样件的形貌特征,内部连通性良好,未发现有明显的结构断裂和孔隙堵塞。采用Instron电子万能材料试验机进行力学压缩试验,结果表明：孔隙率为60%的变形Gyroid单元多孔结构的抗压强度相比常规Gyroid单元多孔结构增加49.3%,弹性模量增加63.5%;孔隙率为75%时抗压强度增加40.5%,弹性模量增加70.5%。研究结果表明,在相同孔隙率的情况下,长轴在压缩方向上的变形Gyroid单元结构具有更优的力学性能。     

选区激光熔化制备多孔结构的成形偏差及力学性能与压缩失效分析

因多孔结构轻质高强度、力学性能可调节的特点，被广泛用于骨骼医疗、航空航天等领域. 为了探索多孔结构选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)成形误差与压缩失效性能，以钻石型晶格和六孔开口球形两种多孔结构为例，采用理论预测与试验测试研究SLM制造多孔结构的压缩力学行为，使用ANSYS软件对所研究的多孔结构进行准静态压缩模拟，并对SLM成形的多孔结构进行单轴压缩试验，最后结合仿真和试验，观测和分析它们的变形过程和失效机制. 对比后发现数值设计的多孔结构尺寸与最终制造的结构存在偏差，导致力学性能理论值与试验值存在一定差异，但应力应变场变化规律一致. 试验结果表明，在孔隙率50% ~ 80%时，钻石型晶格结构屈服强度为31.85 ~ 182.13 MPa，弹性模量为1.45 ~ 2.30 GPa；六孔开口球形结构屈服强度为35.19 ~ 130.64 MPa，弹性模量为1.59 ~ 2.90 GPa，不同多孔结构随孔隙率的增大，力学性能变化趋势不一致.     

激光选区熔化成型多孔Ti6Al4V合金及其热处理研究

Ti6Al4V合金是骨科中应用最为广泛的钛合金,激光选区熔化成型多孔Ti6Al4V合金能够降低其弹性模量,减少应力遮挡现象,促进骨组织的长入,但成型件的塑性通常较低。为此设计了单元尺寸在1~2 mm、孔径约在500~1200 μm、孔隙率约在60%~90%之间的菱形十二面体多孔结构并采用激光选区熔化技术成型了压缩试件,通过压缩仿真和实验对其力学性能进行研究,并研究了退火热处理对其力学性能、显微组织的影响。仿真结果表明,对模型的支杆直径进行误差补偿可获得更为准确的结果。实验结果表明当单元尺寸为1.5 mm时,试件的抗压强度在78.16~242.94 MPa之间,弹性模量在1.74~4.17 GPa之间,与人体皮质骨的力学性能相近。经820 ℃退火2 h后试件的抗压强度、弹性模量与成型态基本保持相当,而塑性有所提升,因此更适用于骨科植入体。     

激光选区融化成形多孔硬骨支架的建模、仿真及实验研究

金属3D打印技术成为当前最具有发展潜力和发展前景的工业制造技术之一,通过SLM激光选区烧结技术,选取合理的烧结参数,将金属粉末烧结成型。建立了不同孔径的多孔支架复杂三维模型,并通过有限元分析进行应力、应变的模拟分析,获得了优化后的多孔支架三维模型,为后续的实验研究分析建立理论基础,然后通过SLM烧结技术制备316L不锈钢多孔支架,通过后期热处理实验、压缩试验、金相实验,对多孔试样进行力学性能分析、硬度测试以及表面微观组织分析。通过模拟分析获得优化后的多孔支架孔径尺寸,获得了更适于人体骨骼缺损部位承重的多孔支架,可对后续研究进行指导。实验研究发现300μm孔径支架强度和弹性模量都高于天然骨,而成形多孔结构的金属件保证了骨骼修复体的生物力学性能,具有良好的力学性能。     

3D打印多孔钽表面改性及功能化研究进展

金属钽具有优异的生物相容性、耐腐蚀性和骨整合能力,是具有广阔发展前景的生物医用骨科材料。通过增材制造技术（AdditiveManufacturing,AM）制备的多孔钽具有精确和个性化控制的表面成分、拓扑结构、力学性能,极大地满足了不同骨缺损临床患者的需求,适合作为承重部位的骨缺损修复材料。然而,AM多孔钽仍具有表面惰性强、骨整合能力有限、无生物活性等缺陷。分别从表面改性方法和拓扑结构优化两个角度介绍了AM多孔钽骨修复材料功能化的研究进展。概述了几种典型的表面改性方法,并分析总结了其优缺点,高成本、难加工、表面惰性是限制AM多孔钽用于表面改性的主要原因。此外,拓扑结构优化也是实现多孔钽功能化的有效途径,合适的孔隙结构不仅赋予植入体与宿主骨相匹配的力学性能,同时有利于AM多孔钽与宿主建立有效的骨整合。综述了近年来AM多孔钽拓扑结构优化的研究进展,总结了孔隙率、孔径、孔隙几何形状对多孔钽力学及生物学功能的影响。最后,对AM多孔钽骨修复材料的功能化发展及临床应用提出了展望。     

生物相容的多孔钛和多孔镁的加工

泡沫金属是一类新材料，具有极低的密度与优良的机械、热、声学性能的独特组合。它们在很宽的范围内有应用可能，如：震动、冲击的能量吸收；尘及流体的过滤器；机械噪声消音器；多孔电极；高温填料，灭火器、加热器、热交换器、催化剂载体，结构材料及最重要的生物相容性植入体。因为其具有开放多孔状结构，允许新骨细胞组织在内生长及体液的传统。尤其吸引人的是多孔材料的强度及杨氏模量可以通过对孔隙率的调整同自然骨相匹配。 理想的代骨材料应该是骨诱导的，以便于与原生骨尽快成为一整体，并具有较高的生物降解及生物吸收速率，以便…     

钛合金变形Gyroid单元梯度多孔结构设计与分析

研究一种具有径向和轴向孔径梯度的变形Gyroid单元多孔结构参数化设计方法,采用激光选区熔化成形(selective laser melting, SLM)技术,制备出孔隙率为60%和75%的钛合金变形Gyroid单元梯度多孔结构样件。使用有限元法(finiteelementmethod,FEM)对4组梯度多孔支架模型及2组均质模型进行静力学仿真分析,对制备的钛合金梯度多孔样件进行力学性能测试,并与已测试过的均质样件进行力学性能对比分析。有限元计算结果与力学性能试验结果共同表明：变形Gyroid单元多孔结构力学性能随孔隙率的升高而降低,孔隙率相同时,径向梯度多孔支架力学性能优于均质多孔支架,更适用于皮质骨的骨缺损修复,轴向梯度多孔支架力学性能相比均质多孔支架有所减弱,更适用于松质骨。     

钛合金植入物梯度孔结构设计及其力学性能

植入物多孔结构的设计研究多以规则孔结构为主,而少有针对梯度孔结构设计。本文提出平面center及空间sphere两种梯度圆孔设计方法,实现完成对某一平面center梯度孔的植入物结构设计,采用激光选区熔化技术(Selective Laser Melting, SLM)制备出孔隙率为75%的医用钛合金Ti6Al4V梯度孔与规则孔结构植入物样件,进行微观材料表征和力学性能测试,得到相关力学数据。结果表明：该种梯度孔结构的力学性能优于规则孔,在孔隙率为75%的条件下,梯度孔样件的平均弹性模量较规则孔高36.25%,平均抗压强度提高29.9%。     

泡沫钛制备及力学性能评价研究

利用占位体烧结法在不同的占位体粒径、体积分数以及不同的烧结温度、时间条件下制备出泡沫钛。采用光学金相、扫描电镜等对泡沫钛的孔隙结构进行分析;通过室温压缩实验对泡沫钛的力学性能进行评价。结果表明,泡沫钛孔隙横截面呈圆形,纵截面呈椭圆形,其孔隙率与占位体体积分数的差值随占位体粒径、体积分数的增加、烧结温度的升高、时间的延长呈升高的变化趋势。同时,烧结温度越高,所制备的泡沫钛孔壁越致密。与传统的泡沫材料不同,泡沫钛应力-应变关系曲线并没有出现明显的应力平台,抗压缩强度和弹性模量随孔隙率的增加呈下降的变化趋势,当孔隙率为67.6%时,抗压缩强度和弹性模量分别达到14.4 MPa和1.17 GPa。抗压缩强度随孔径的增大呈先升高再降低的变化趋势,而弹性模量随孔径的增加基本不变,当孔径达到1.15～1.53 mm时,其抗压缩强度和弹性模量分别达到48.9 MPa和1.72 GPa。     

Nanospike surface-modified bionic porous titanium implant and in vitro osteogenic performance

This work aimed to prepare the nanospike surface-modified bionic porous titanium implants that feature favorable osteointegration performance and anti-bacterial functions. The implant was prepared using freeze casting, and nanospike surface-modification of the implant was performed using thermal oxidation. The pore morphology and size, mechanical properties, and osteogenic performance of the implants were analyzed and discussed. The results showed that when the volume ratio of titanium powder in slurry was set to be 10%, the porosity, pore diameter, compressive strength, and elastic modulus of the porous samples were (58.32±1.08)%, (126.17±18.64) μm, (58.51±20.38) MPa and (1.70±0.52) GPa, respectively. When the porous sample was sintered at a temperature of 1200 °C for 1 h, these values were (58.24±1.50)%, (124.16±13.64) μm, (54.77±27.55) MPa and (1.63±0.30) GPa, respectively. The nanospike surface-modified bionic porous titanium implants had favorable pore morphology and size, mechanical properties and osteointegration performance through technology optimization, and showed significant clinical application prospect.     

多孔钛合金拓扑优化设计及性能研究

为了得到良好力学性能和高渗透性的钛合金多孔结构,需要在多孔结构的孔隙率与其强度之间保持权衡。以人体膝关节胫骨假体为研究对象,首先,根据胫骨受力状态,采用拓扑优化设计并重构不同载荷工况下的抗压、抗剪单胞结构(TO-P1、TO-P2、TO-S1、TO-S2),与几种常见的基本单胞结构(BCC、FCC、RDC、DCC)进行研究比较;其次,通过对不同类型多孔钛合金进行压缩、剪切性能仿真,研究不同拓扑形态的多孔钛合金关于抗压、抗剪的力学性能,并采用SLM技术成型多孔钛合金压缩试件,验证了仿真分析的有效性;最后,选择力学性能较优的4种多孔钛合金进行渗透性分析。结果表明,TO-S2结构的抗压、抗剪力学性能和渗透性能最为出色,适合作为压剪载荷类植入物的多孔结构。     

多孔钛骨组织工程支架设计及孔结构表征

针对目前骨组织工程支架微孔结构难以准确设计制备的问题,提出了一种基于点云的参数化建模+3D打印新方法。通过提取cube(C)、diamond(D)、gyroid(G)3种结构的型面函数点云数据,完成对不同孔结构特征的参数化建模。通过对模型有限元力学分析,对不同孔结构特征的多孔钛骨组织支架进行力学设计与订制。借助激光选区熔融(SLM)3D打印技术,完成对不同孔特征的骨组织支架快速成型。对多孔钛骨组织支架进行了相关材料学表征,包括孔结构表征与力学性能测试。结果表明:参数化模型的快速成型制造,能够有效地设计制备钛合金骨组织工程支架的孔结构特性,且可有效设计订制支架的力学性能,从仿生的角度实现多孔钛合金骨组织工程支架生物学功能的设计优化。     

生物医用植入钛及钛合金的力学性能研究及进展

生物医用植入纯钛具有低密度、优越的耐蚀性、无致敏性和良好的生物相容性，而医用植入钛合金还具有高比强度、较低的弹性模量及易加工等优良特点。所以生物医用植入钛及钛合金已成为外科植入件优选的替代材料。本文重点介绍了人体硬组织修复与替换材料新型钛合金的生物相容性、力学性能、合金添加元素对力学性能的影响和最新研究进展，并指出了未来研究的发展方向。     

基于TPMS结构的多孔钛制备与表征

多孔钛因具有与人体骨组织相近的弹性模量和允许骨长入的孔隙结构而备受关注。其孔隙结构特征不仅影响骨长入效果,而且决定了多孔钛的力学性能。通过三周期极小曲面(triply periodic minimal surfaces,TPMS)隐函数参数的精确调控可以构建出理想的孔隙结构模型。本实验针对TPMS模型中常用的G单元模型,研究了G单元模型隐函数参数对孔隙率、孔径、杆径等孔隙结构特征的影响规律,设计出了孔隙率约为77%,孔径分别为300(G300)、500(G500)微米的均质孔隙结构;模仿自然长骨径向梯度结构模型,构建了相应的G单元仿生梯度孔隙结构。采用选区激光熔化(SLM)增材制造技术制备了相应的多孔钛样件,利用数字显微镜和扫描电镜观测多孔钛的孔隙结构特征,发现SLM多孔钛实测孔隙率低于设计孔隙率,实测孔径小于设计值,实测杆径大于设计值。力学性能检测结果显示,G300和G500多孔钛弹性模量分别为2.04和3.12GPa,其最大抗压强度分别为63.5和103.5MPa,梯度孔隙结构多孔钛弹性模量和最大抗压强度分别为6.3 GPa和186.9 MPa。研究结果表明,G单元梯度孔隙结构多孔钛是一种理想的承重部位骨缺损修复体。     

SLM制备径向梯度多孔钛/钽及其表征研究

利用增材制造技术制作仿天然骨的径向梯度多孔钛/钽骨科植入物具有广阔的前景。基于三周期极小曲面（triply minimal surfaces,TPMS）建模法建立了平均孔隙率为70%的圆柱型径向梯度孔隙结构,孔隙率由中轴线（90%）向圆周面（30%）逐渐降低。利用激光选区熔化(Selected Laser Melting, SLM)工艺制作径向梯度多孔钛/钽。光学显微镜,扫描电镜,Micro-CT检测结果共同显示,SLM径向梯度多孔钛/钽的孔隙结构与设计特征一致。SLM工艺制作的径向梯度多孔钛/钽的孔隙率分别为73.18%与68.18%。力学测试结果表明,梯度多孔钛/钽的弹性模量分别为3.96±0.19GPa与3.47±0.25GPa,抗压强度分别为90.83±3.35MPa与93.27±1.24MPa。梯度多孔钛/钽的弹性模量与抗压强度分别显著高于均匀多孔钛/钽（孔隙率为70.11%的均匀多孔钛弹性模量为2.34±0.48GPa,抗压强度为67.63±1.33MPa,孔隙率为65.39%的均匀多孔钽弹性模量为1.69±0.49GPa,抗压强度为68.56±0.41MPa）。体外细胞相容性实验证明,径向梯度多孔钛/钽均具有良好的生物相容性,适合间充质干细胞与肌肉细胞的粘附生长。SLM工艺制作的径向梯度多孔钛/钽比均匀多孔钛/钽具有与天然骨组织更相近的结构与性能,是理想的骨缺损修复替代物。     

Preparation of porous Ta-10%Nb alloy scaffold and its in vitro biocompatibility evaluation using MC3T3-E1 cells

A highly porous Ta-10%Nb alloy was successfully prepared for tissue engineering via the methods of the sponge impregnation and sintering techniques. The porous Ta-10%Nb alloy offers the capability of processing a pore size of 300-600 μm, a porosity of (68.0±0.41)%, and open porosity of (93.5±2.6)%. The alloy also shows desirable mechanical properties similar to those of cancellous bone with the elastic modulus and the comprehensive strength of (2.54±0.5) GPa and (83.43±2.5) MPa, respectively. The morphology of the pores in the porous Ta-Nb alloy shows a good interconnected three-dimension (3D) network open cell structure. It is also found that the rat MC3T3-E1 cell can well adhere, grow and proliferate on the porous Ta-Nb alloy. The interaction of the porous alloy on cells is attributed to its desirable pore structure, porosity and the great surface area. The advanced mechanical and biocompatible properties of the porous alloy indicate that this material has promising potential applications in tissue engineering.