选区激光熔化梯度多孔支架力学性能和能量吸收研究

基于三周期极小曲面设计梯度 Ti6Al4V 多孔支架,并采用选区激光熔化打印成形,分析边缘孔隙率P_out、中心孔隙率P_in和平均孔隙率■对力学性能和能量吸收的影响。研究结果表明：相同■的梯度多孔支架弹性模量、抗压强度和单位体积的总吸收能量 W_V都随着 P_out的增大而减小,随着 P_in的增大而增大;不同 ■的梯度多孔支架弹性模量、抗压强度和 W_V随着 ■的增大而减小;P^-对其弹性模量、抗压强度和 W_V的影响大于 P_in、P_out的影响。打印成形的梯度多孔支架能够满足股骨和胫骨的弹性模量、抗压强度要求,建立的力学性能模型可为面向骨科医学多孔支架的应用提供参考。     

单个薄壁多孔金属空心球体力学行为研究

金属空心球多胞材料结构是一种新型的多孔金属材料,它是由多个金属空心球组合而成,对于单个金属空心球的力学行为研究是整体材料力学性能的基础。通过对外径2 mm～3 mm,且壁厚不等厚(壁厚10μm～40μm)的单个超薄壁多孔空心球体进行纳米压痕试验、准静态单轴压缩试验以及纯弹性阶段的压缩试验,进而得到该金属空心球体材料和整个球体的弹性模量等相关力学参数,以及金属空心球体压缩变形过程和特征,并对金属空心球体弹性阶段采用有限元软件Abaqus进行模拟,分析孔隙率对于球体弹性模量的影响,结果表明,随着球壁孔隙率的增大,球体的弹性模量减小,且呈非线性分布,并可以描述成与球壁孔隙率与球壁材料的力学性能关系相同的幂函数形式。     

骨组织工程支架的不同孔隙率对成形性能的影响分析

生物三维打印成形的支架孔隙率对引导骨组织的再生极其重要。首先对不同孔径大小的骨组织工程支架模型进行有限元分析。再利用易降解、生物相容性良好的聚乙烯醇(PVA)与羟基磷灰石(HA)混合材料制备出不同孔隙率的骨组织工程支架,对其宏观特征、微观结构和力学性能等重要参数进行对比,得出孔隙率约为60%的骨组织工程支架实际平均抗压强度为14.90 MPa,力学性能与生物相容性最佳,为提高成骨效率奠定实验研究基础。     

基于Voronoi模型的钽材料孔隙率与弹性模量辨识

多孔材料的弹性模量辨识,是研究多孔材料力学性能的重要部分。采用三维Voronoi随机分布模型,研究了多孔钽在准静态载荷作用力下的力学性能。建立给定孔密度下的Voronoi随机分布模型,并以梁单元的形式构建有限元模型,通过改变梁单元直径构造同一微结构下的不同孔隙率模型,进行有限元力学分析,辨识不同孔隙率下多孔模型的等效弹性模量。对实验结果数据进行分析,验证所辨识多孔模型等效弹性模量与孔隙率关系,与实验结果一致。     

仿生多材料复合增强骨软骨支架的制造及性能研究

针对关节面上大面积骨软骨缺损修复过程中软骨形态恢复和力学环境恢复困难的问题,设计并制造一种新型聚乙二醇(Polyethylene glycol, PEG)/ 聚乳酸(Polylactide, PLA)/ β-磷酸三钙(β-Tricalcium phosphate, β-TCP)仿生多材料复合增强骨软骨支架。基于CT扫描数据重建的羊膝关节模型上进行仿生多材料骨软骨支架的结构设计,包括多孔定制结构和固定桩及仿生结构;以光固化成形技术与真空灌注工艺相结合制造了的多材料复合增强骨软骨支架,确定灌注温度220℃,真空度–0.08～–0.10 Pa。形貌观测表明真空灌注法能使PLA完全充满整个次级管道,力学试验发现复合材料支架的压缩强度(21.25 MPa ± 1.15 MPa)是单管道多孔生物陶瓷支架(9.76 MPa± 0.64 MPa)的2.17倍, PLA固定桩的剪切强度(16.24 MPa±1.85 MPa)是陶瓷固定桩(0.87 MPa±0.14 MPa)的18.7倍。因此,复合PLA的骨软骨支架具有显著的力学增强和固定能力,有望为大面积骨软骨缺损的修复提供新的治疗手段。     

高温发汗润滑多孔材料基体强度的计算模型

基于高温发汗润滑多孔材料基体厚壁均质有序孔结构的特征,以薄壁蜂窝状结构为基础,引入表征其特征参数值入,构建了新的多孔材料强度计算模型,推导出可在较宽参数范围内计算厚壁均质孔材料相对密度和孔隙率对其基体强度影响的表达式;并以金属陶瓷为材料基体骨架,计算了不同孔隙率材料的抗压强度,计算结果与传统多孔陶瓷材料经验公式理论值的一致性表明建立的计算模型具有较宽的工程适应性.在此基础上得出材料弹性模量随孔隙率的增大而减小,且当孔隙率小于0.6时,材料弹性模量减幅较大;材料泊松比随孔隙率的增大而增大,且当孔隙率大于0.4时,泊松比的增幅明显变大.     

基于TPMS建模方法进行仿生骨支架结构设计

为了更好地拟合出人体骨细胞生存生长的多孔曲面环境,采用基于函数的极小三周期曲面(TPMS)建模方法,来进行仿生骨支架结构的设计。采用这种方法,能够通过调整函数的相关参数,实现对仿生骨支架孔径大小以及孔隙率大小的精准控制。选取了TPMS结构中的一种P曲面结构,通过与人体真实骨组织结构单元孔径大小以及孔隙率大小进行比对,选定了P曲面结构的参数值u,并确定了仿生骨支架合理的单元尺寸,最后通过有限元仿真软件对模型进行了力学分析及评估,结果表明,设计的支架结构具有更匹配人体骨结构的力学性能,对指导构建人工骨支架结构具有重要意义。     

有限元分析在骨支架设计中的应用

生物可降解骨支架设计一直是组织工程的重点,为满足骨支架植入后的性能要求,生物力学特性是其设计过程中首要考虑的问题之一。通过对不同孔隙率骨支架的分析,提出骨支架有效弹性模量与孔隙率和材料弹性模量之间的关系式,作为骨支架设计中的参考。分析中所用骨支架的孔隙率通过组合可控微单元体进行调整,对大量的骨支架的有限元分析表明:0.5%总体压应变下有效弹性模量与孔隙率和弹性模量之间关系是线性的以及对于不同属性材料,其弹性模量越高,随着孔隙率的增大,其有效弹性模量减小速度越快。     

基于Workbeach圆柱面过盈配合接触应力有限元分析

正1.分析模型经典的轴毂过盈连接分析模型如图1所示。图1中u1,u2分别为轴和轮毂的径向位移,δ为两者的过盈量。轴毂采用相同的材料50JHJ钢,其弹性模量E=207 GPa,泊松比μ=0.276,屈服应力σb=375 MPa。     

骨组织工程多孔生物支架设计研究进展

由人口老龄化、严重不愈合骨折等引起的骨缺损,使人们对人工骨替代物的需求急剧增加。支架作为骨缺损的人工骨替代物,在骨组织工程新骨再生中起到至关重要的作用。人体不同组织(硬骨和软骨),甚至是相同组织的不同部位(骨骼的中部和外部)对支架的力学性能、内部微观结构和孔隙率等参数的要求都不尽相同。如何在理想生物材料的基础上,模拟天然骨的性能和结构,设计出具有可控力学性能、结构和渗透率等性能的支架,一直困扰着组织工程研究者。综述了多孔骨支架在设计成型方面近年来国内外代表性的研究工作,重点探究了多孔支架设计方法,阐述了多孔支架在骨组织工程应用中面临的挑战,为深入开展可控多孔支架的研究和应用提供一定的参考。