供稿人：王義凱、高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-05-23
功能分級(jí)的多孔支架最近引起廣大學(xué)者的關(guān)注，因?yàn)樗ㄟ^沿著支架放置密度梯度來更好地模擬骨組織，從而在機(jī)械和生物需求之間提供平衡，這有利于提升骨與支架之間的機(jī)械傳導(dǎo)和組織再生效率。與其他金屬生物材料相比，對(duì)增材制造Ta梯度晶格結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)和性能，特別是各種Ta梯度晶格結(jié)構(gòu)的疲勞性能與生物性能仍缺乏了解。
新南威爾士大學(xué)的團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了激光粉末床熔合(LPBF)增材制造純鉭及其梯度晶格結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)研究了其微觀結(jié)構(gòu)演變、相形成、表面能和生物性能與傳統(tǒng)鍛造純鉭的比較。這項(xiàng)研究為LPBF增材制造純Ta梯度晶格結(jié)構(gòu)提供了新的深入見解，其結(jié)構(gòu)具有理想的疲勞性能和生物相容性，可應(yīng)用于臨床承載骨科應(yīng)用，本研究的發(fā)現(xiàn)有望為純Ta晶格結(jié)構(gòu)在骨科承重應(yīng)用中提供潛力。
在研究過程中，該團(tuán)隊(duì)采用相同的優(yōu)化LPBF參數(shù)，設(shè)計(jì)并制備了三種不同的Ta梯度陀螺晶格結(jié)構(gòu)(即均勻結(jié)構(gòu)、y梯度結(jié)構(gòu)和z梯度結(jié)構(gòu)) （如圖1），測試了這三種結(jié)構(gòu)的壓縮性能和疲勞性能，并對(duì)其破壞機(jī)理進(jìn)行了討論。此外，還研究了其生物特性，包括細(xì)胞附著和生長。作為基準(zhǔn)，此研究引入了常規(guī)鍛造的純Ta (forged-Ta)零件，并與LPBF-Ta進(jìn)行了比較。對(duì)LPBF-Ta和forged-Ta的微觀結(jié)構(gòu)、表面能和生物學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)表征和比較。這項(xiàng)研究表明，y型梯度結(jié)構(gòu)在3種不同梯度結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出最好的平臺(tái)應(yīng)力和壓縮模量（如圖2）。在變應(yīng)力下，y梯度結(jié)構(gòu)的疲勞響應(yīng)優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu)。在細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)方面，均勻結(jié)構(gòu)具有適合細(xì)胞粘附和生長的孔徑，具有最佳的生物相容性。這些結(jié)論可以為今后多孔鉭植入物的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論參考。
圖 1 晶格Ta的CAD設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)（a）均勻結(jié)構(gòu)（b）Y梯度結(jié)構(gòu)和（c）Z梯度結(jié)構(gòu)，兩幅插圖是制造的Y梯度結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，顯示了在當(dāng)前AM精度下可以實(shí)現(xiàn)的不同體積分?jǐn)?shù)（即20%和10%）
圖2 三種陀螺結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。均勻和Y梯度結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出相似的破壞行為，而Z梯度表現(xiàn)出逐層坍塌。其中壓縮斷裂從低體積分?jǐn)?shù)層（頂層）逐漸發(fā)生到高體積分?jǐn)?shù)層（底層）