3D打印Ti6Al4V钛合金支架的力学性能及生物相容性

以3D打印技术制备的多孔Ti6Al4V钛合金支架为研究对象,研究其显微结构特征与力学性能的关系,利用骨髓间充质干细胞研究多孔钛合金支架的生物相容性,以及在家兔全层骨缺损模型中研究支架周围骨质的生长情况。结果表明:3D打印的多孔Ti6Al4V钛合金支架的力学性能受其多孔特性的影响,具有较适合人体需求的初始强度;同时材料具有良好的细胞生物相容性;且多孔支架中的立体网格结构为细胞提供了生长空间,增加了骨髓间充质干细胞的增殖能力,促进了钛合金支架微孔中骨组织长入的速度。     

基于杨氏模量可控多孔钛微观组织和力学性能的研究

人体植入物的杨氏模量在减少因植入物杨氏模量远大于骨组织而带来的应力屏蔽,提高植入物器件在人体的服役寿命具有十分重要的作用。本文采用一种新型的钛网层叠烧结法制备多孔钛,研究多孔钛的微观孔形貌,压缩变形特点和具有可控性的多孔钛孔隙率、孔径大小和孔分布对多孔钛微观组织及力学性能的影响。研究结果表明：这种方法制备的多孔钛在微观结构上具有不同方向有不同的微观孔形貌,因而使多孔钛具有异性;轴向压缩应力应变曲线表明多孔钛具有平稳、光滑的弹性和塑性变形行为;当增加孔隙率,或相同孔隙率下,减小孔名义尺寸,改变孔分布由规则到错排时,均能降低多孔钛的弹性模量。因此,通过调控多孔钛的这些结构参数,可使其具有与不同骨组织相匹配的力学性能和利于骨组织长入的孔径尺寸。这种与骨组织适配的力学性能和孔结构,在提高植入物器件的服役寿命具有很大的潜力。     

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。     

医用多孔金属的制备及其生物活化研究进展

医用多孔金属材料,特别是多孔钛及钛合金能够提供与人体骨组织相匹配的力学性能,并促进骨组织长人以提高其与骨的固定度,在人体硬组织修复与替换方面具有广泛的应用前景。重点围绕多孔钛及钛合金的制备方法及适用于其复杂孔隙结构的表面生物活化方法,综述了各种方法在多孔钛及钛合金上的应用现状。目前适用于多孔钛及钛合金制备的技术主要有粉末冶金法、钛纤维烧结法、自蔓延高温合成法、选区电子束熔化技术和选区激光熔化技术,适用于多孔钛及钛合金表面生物活化的技术主要有溶胶凝胶法、仿生矿化法、电化学沉积法和微弧氧化法。多孔钛及钛合金的力学相容性和表面生物活性需要同时满足临床要求,才能进一步扩大其在医学领域的应用范围。     

基于杨氏模量可控多孔钛微观组织和力学性能研究（英文）

因为人体植入物的杨氏模量远大于骨组织将会带来应力屏蔽,所以降低人体植入物的杨氏模量对于提高植入物器件在人体的服役寿命具有十分重要的作用。采用一种新型的钛网层叠烧结法制备多孔钛,研究多孔钛的微观孔形貌,压缩变形特点和具有可控性的多孔钛孔隙率、孔径大小和孔分布对多孔钛微观组织及力学性能的影响。结果表明:钛网层叠烧结法制备的多孔钛在微观结构上,不同方向具有不同的微观孔形貌,因而使多孔钛具有异性;轴向压缩应力应变曲线表明多孔钛具有平稳、光滑的弹性和塑性变形行为;当增加孔隙率,或相同孔隙率下,减小孔名义尺寸,改变孔分布由规则到错排时,均能降低多孔钛的弹性模量。因此,通过调控多孔钛的这些结构参数,可使其具有与不同骨组织相匹配的力学性能和利于骨组织长入的孔径尺寸。作为植入物材料的多孔钛具有的这种与骨组织适配的孔结构和力学性能,在延长植入物器件的服役寿命上具有很大的潜力。     

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。     

硬组织植入多孔钛的制备及其性能研究

为满足硬组织植入多孔材料的需求,在传统粉末烧结法的基础上,利用造粒-松装烧结法制备了多孔钛,比较了这两种方法制备出的多孔钛性能和结构差异。结果表明:粉末烧结法制备的多孔钛样品为均一型孔结构且孔隙度较低,同时过高的力学性能限制了该方法的应用;采用造粒-松装烧结法制备出的多孔钛孔隙度为60%~80%,同时多孔钛的孔结构为大孔孔壁分布着均匀微米级小孔的双峰孔结构,力学性能与人体骨组织较好匹配,完全符合硬组织植入体的性能要求。     

3D打印医用钛合金多孔材料力学性能研究进展

钛合金多孔材料具有与人体骨匹配的弹性模量,可有效解决金属植入物与人体骨弹性错配;其内部存在的大量孔隙有利于周围细胞的长入和新骨的生长,从而促进骨组织形成。近年来,增材制造(3D打印)技术被用于钛合金多孔材料制备,该方法可以精确控制孔隙参数,并且克服了因金属高熔点造成的制备困难。本文综述了作者团队在3D打印医用Ti-6Al-4V、纯Ti以及低模量钛合金多孔材料组织及力学性能的研究结果。对于Ti-6Al-4V两相合金,其疲劳性能受多孔结构设计和多种后处理的影响。纯Ti多孔材料较Ti-6Al-4V更优的疲劳寿命源于其更好的塑性和形变孪晶的应变硬化效应。低模量Ti2448合金的优异疲劳寿命则源于其超弹性提高裂纹萌生寿命,高韧性提高裂纹扩展寿命。最后展望了复杂生理环境腐蚀疲劳性能、多孔材料表面生物活化处理和新型医用金属体系多孔材料等发展方向。     

3D打印两相钛合金组织性能研究现状

3D打印成型技术由于快速性、低成本、高集成化、适用于加工复杂零件等显著优点,近几年来得到快速发展,但是目前还存在许多不足,如精度不高、材料性能不稳定等。随着3D打印两相钛合金的应用越来越广泛,国内外针对3D打印两相钛合金的研究也逐渐深入和成熟,通过指导工艺的改进方向来提高其综合性能。本研究针对3D打印中激光快速成型和电子束熔化成型两种技术的工艺进行分析,阐释不同成型工艺条件下两相钛合金宏微观组织特征、力学性能特点,得出打印成型工艺参数、热处理工艺等因素对其影响,为3D打印两相钛合金工程化应用提供借鉴。     

β-磷酸三钙/聚L-乳酸复合骨支架材料的制备及其力学性能

以NaCl颗粒为致孔剂,采用"溶液浇铸-热压成型一颗粒沥滤"方法制备多孔β-磷酸三钙(β-TCP)/聚L-乳酸(PLLA)复合骨支架材料.研究了致孔剂用量、成型压强以及成型温度对复合材料孔隙率、体积密度及力学性能的影响;讨论了复合材料的孔隙率与其力学强度之间的关系以及细胞在支架材料上的增殖情况.扫描电镜(SEM)下,观察到β-TCP/PLLA复合材料有着开口的、均匀的及相互贯通的孔隙,孔径为100μm～400μm;排液法测得复合材料的孔隙率约为55%～65%;多孔复合材料的抗压强度(～8MPa)接近松质骨的抗压强度.研究表明致孔剂NaCl的用量为60%(质量分数)、NaCl颗粒粒径为200μm～450μm时,在6MPa成型压强及120℃成型温度下,制得的多孔复合材料的力学强度符合骨力学性能要求,并适合骨髓基质干细胞的黏附与生长.     

多孔磷酸钙骨水泥与钛合金支架材料修复兔颅骨骨缺损的比较研究

通过采用结构可控的多孔磷酸钙骨水泥(calcium acid phosphate cement, CPC)和钛合金支架材料修复兔颅骨骨缺损,比较了两种修复材料骨环境下的成骨性能。结果显示,与多孔钛合金材料相比,多孔CPC材料表现出了更好的成骨活性。CPC材料的新生骨量、成骨速率均高于钛合金材料。而且骨吸收重建过程也早于钛合金材料。同时,三维贯通的孔隙结构有利于骨组织的长入,能够在一定程度上克服钛合金材料的应力屏蔽缺陷, 使植入体在早期获得良好的固位, 从而使界面骨性结合得以顺利进行。     

钽涂层多孔钛合金支架的制备与表征

钽金属是一种理想的医用金属材料,能够与人体软/硬组织发生整合。利用化学气相沉积方法,在可控多孔结构的Ti6Al4V合金支架表面沉积涂覆钽金属涂层,使其同时具备理想的三维孔隙结构和力学相容性,以及钽金属优异的生物学性能。研究结果显示,多孔钛合金支架表面涂层前后色泽发生明显变化,涂层后支架呈现钽金属色泽。扫描电镜和XRD分析进一步证明了多孔钛合金支架表面沉积物为钽金属。与美国Zimmer公司生产的多孔钽小梁金属相比,钽涂层多孔钛合金支架具备与人体皮质骨更相似的弹性模量和抗压强度,是一种理想的骨修复替代物。     

新型多孔镁压缩性能的有限元分析

利用有限元方法建立了激光打孔制备的直孔型多孔镁样品的压缩模型,系统分析了孔隙率、孔径及孔的排布对多孔镁样品压缩性能的影响,初步探讨了多孔镁在压缩过程中的变形规律.模拟计算结果表明,随着孔隙率、孔径的增加和孔的排布角的减小,多孔镁压缩曲线下移,屈服强度和弹性模量随之下降;多孔镁的压缩变形规律符合金属的最小阻力定律.     

A system for designing and 3D printing of porous structures

Porous structures exhibit superior properties compared to their non-porous counterparts, though they are challenging to design and fabricate. This paper presents a self-contained and user-friendly system that designs a porous structure by filling the spaces between a randomly generated point cloud and a closed boundary. It produces the STL dataset of the designed structure. The system generated STL datasets were used to fabricate some porous structures using a 3D printer. The fabricated structures exhibited randomly sized and distributed pores through which gasses and liquids could pass. These characteristics of the fabricated structures make them suitable for engineering and biomedical applications.     

Effect of pore geometry and loading direction on deformation mechanism of rapid prototyped scaffolds

Rapid prototyping is a promising technique for producing tissue engineering scaffolds due to its capacity to generate predetermined forms and structures featuring distinct pore architectures. The objective of this study is to investigate the influences of different pore geometries and their orientation with respect to the compressive loading direction on mechanical responses of scaffolds. Plastic models of scaffolds with cubic and hexagonal unit cells were fabricated by three-dimensional (3-D) printing. An in situ imaging technique was utilized to study the progressive compressive deformation of the scaffold models. In both cubic and hexagonal geometries, organized buckling patterns relevant to each unit cell were observed at the onset of plastic deformation. These patterns were in good agreement with the elastic stress concentration patterns generated by finite element simulation. Uniaxial compression tests conducted on both geometries revealed that the stress–strain pattern may vary significantly by changing the loading direction. A secondary stress softening phenomenon was observed where limited pore deformation caused 3-D structure bending. However, when loading direction was adjusted such that deformation was localized on all pores simultaneously, a monotonically increasing stress was observed. These results accentuate the critical role of pore geometry and orientation with respect to the principal loading axis in designing functional tissue engineering scaffolds.     

不同类型多孔结构生物材料支架制备及其性能优化

多孔支架是组织工程应用中的关键环节,类似细胞外基质的作用,支撑细胞的粘附和随后细胞向组织的衍化。虽然目前已采用多种制备技术研发出大量的多孔支架,但是多孔生物材料支架的制备和性能优化,仍然是组织工程支架领域的研究热点。结合实验室工作,综述了多种制备不同类型多孔结构生物材料支架的制备技术,主要包括颗粒和纤维堆积型支架、泡沫浸渍法支架和颗粒制孔支架等的制备技术,并阐述了这些制备技术对多孔结构支架的孔结构、贯通性和力学性能的改善效果。其目的旨在提供满足组织工程需求的多孔生物材料支架。     

含缺陷点阵结构的力学性能影响研究

随着3D打印（增材制造）的快速发展以及航空航天对轻量化结构设计的迫切需求，多孔结构尤其是周期性的点阵结构得到了越来越多的重视。由于当前3D打印工艺水平还不够成熟，打印的点阵结构不可避免地出现各种缺陷，因此需要对含缺陷的点阵结构进行性能评估。首先开展了不同位置点阵杆件缺失对结构力学性能的影响，实验和有限元结果表明中心部位的单根杆件缺失时结构的力学性能下降最多。在此基础上，建立了中心部位杆件的缺失数量与结构力学性能之间的关系表达式。该结果可以为点阵结构在实际工程结构中的应用提供指导。     

多孔Fe-Mn合金表面微纳形貌调控及其生物相容性评价

铁基可降解金属因其良好的生物相容性和优异的机械性能,在骨科植入物领域具有广阔的应用前景,但必须突破其降解速率过慢的瓶颈问题。本研究通过电化学技术对3D打印多孔铁锰合金(Fe-30Mn)支架表面进行去合金化处理。通过扫描电镜观察发现,以盐酸和氯化钠分别作为去合金化处理介质溶液,可以在支架表面形成多微孔网络结构和片状纳米结构。接触角和粗糙度测试显示,2种微纳结构的构建均显著改善了Fe-30Mn支架表面亲水性,并提升了其表面粗糙度,多微孔网络结构更加粗糙并且亲水性更好。利用静态浸泡法和电化学耐腐蚀实验评估合金化处理前后支架的腐蚀速率,发现表面微纳结构的形成可加速Fe-30Mn支架的降解。建立体外成骨细胞培养模型,通过激光共聚焦观察及细胞增殖测试发现,经合金化处理的2种支架均能支撑细胞的贴附和增殖,具有良好的细胞相容性。结果表明,经电化学去合金化处理后,Fe-30Mn支架的降解速度得以增强,同时保持了良好的生物相容性,有望在骨修复领域得到较好应用。     

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。