供稿人：董恩純 王玲 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2019-03-16
鈦合金得益于其優(yōu)良的力學性能與生物相容性能被廣泛應用于醫(yī)療領域，并且隨著近年來多孔結(jié)構(gòu)的研究為鈦合金克服應力屏蔽現(xiàn)象并促進骨長入提供了解決方案，使其在人工植入物領域發(fā)揮著越來越重要的作用。但是多孔結(jié)構(gòu)設計眾多，究竟什么樣的多孔結(jié)構(gòu)有利于骨整合目前尚無定論。
南京航空航天大學的研究人員基于Voronoi-Tessellation空間分割算法設計出了仿生骨小梁結(jié)構(gòu)，Voronoi-Tessellation空間分割算法原理如下：首先，根據(jù)距離參數(shù)，在設計空間中生成均勻部分的控制點，然后，以這些控制點為球心，生成均勻分布的球體，再在球體內(nèi)部隨機生成新若干點，并且將這些隨機生成的點相互連接，生成Voronoi單元，最后以這些Voronoi單元邊線為基礎，通過給邊線賦予一定的截面面積，生成多孔結(jié)構(gòu)。使用該算法，可以通過調(diào)整控制點的距離和Voronoi單元支柱截面大小生成不同孔隙率的多孔結(jié)構(gòu)，也可以通過控制球內(nèi)隨機點的數(shù)量和隨機程度，控制多孔單元的結(jié)構(gòu)，從而可以根據(jù)需求設計出不同孔隙率與不同結(jié)構(gòu)的多孔。
圖1 Voronoi-Tessellation空間分割算法原理圖
通過改變縮放系數(shù)與不規(guī)則系數(shù)，設計出不同孔隙率與結(jié)構(gòu)的仿骨小梁多孔，然后使用SLM工藝進行制備，并對其進行了力學測試。力學測試結(jié)果顯示抗壓強度與孔隙度呈冪函數(shù)關系，等效彈性模量與孔隙度呈強線性關系。并且隨著結(jié)構(gòu)不規(guī)則程度的增加，彈性模量呈現(xiàn)急劇下降的趨勢，與此同時抗壓強度也表現(xiàn)出較大范圍波動。根據(jù)不同孔隙率以及不同結(jié)構(gòu)仿生骨小梁力學性能的研究，可以得到與人體松質(zhì)骨力學性能和結(jié)構(gòu)相接近的設計參數(shù)，并且最終可以通過控制Voronoi-Tessellation空間分割算法中控制點與隨機點的生成規(guī)律，得到梯度仿生骨小梁多孔結(jié)構(gòu)，從而做到真正意義上的仿形與仿性。
圖2 仿生多孔結(jié)構(gòu)設計與力學性能測試：（a）仿骨小梁結(jié)構(gòu)設計與制備樣件示意圖；（b）力學性能測試結(jié)果
使用Voronoi-Tessellation空間分割算法，通過調(diào)整參數(shù)，可以得到力學性能與幾何結(jié)構(gòu)與人體自然松質(zhì)骨相類似的仿生骨小梁多孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可能有利于提高人工植入物植入后的骨整合情況 因此這種設計方法在人工假體與骨組織支架設計領域有著潛在的應用前景。