供稿人：呂乃昕、高琳 供稿單位：西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-09-28
多孔鉭支架因其優(yōu)異的耐腐蝕性、高摩擦系數(shù)、適宜的力學性能、優(yōu)異的骨導電性和成骨性等優(yōu)點，已被臨床應用于骨組織修復中。然而，制備過程的繁瑣和問題限制了它們的廣泛應用。增材制造技術作為一種先進、強大、成熟的加工技術，克服了傳統(tǒng)工藝的不足，可用于制造具有復雜分層結構和高精度的多孔金屬支架，徹底改變了骨科植入物的設計和工藝。
其中孔結構對種植體的力學和生物學特性至關重要。與鈦合金和不銹鋼相比，鉭的強度較低，但延展性較好，這使得多孔鉭支架的變形行為不同于其他材料。因此，有必要系統(tǒng)地研究孔隙結構對多孔鉭支架變形行為和力學性能的影響。此外，真實生理環(huán)境極其復雜，植入物需要承受來自人體不同運動狀態(tài)的多個方向的載荷，需要考慮抗壓、拉伸、彎曲等綜合力學性能，而孔隙結構對壓縮、拉伸和彎曲性能的影響尚不清楚。
因此，中南大學粉末冶金國家重點實驗室研究人員采用電子束粉末床熔合(EB-PBF)制備了具有十二面體、G7和立方結構的多孔鉭支架。通過壓縮試驗、拉伸試驗、三點彎曲試驗和有限元分析，研究了孔隙結構對多孔鉭支架變形行為和力學性能的影響。在壓縮試驗中，其力學性能介于皮質骨和松質骨之間，適合作為植入材。G7和立方支架的變形以屈曲為主，十二面體支架主要以彎曲變形為主，抗壓強度較低。另一方面，十二面體支架具有優(yōu)異的拉伸和彎曲性能。在拉伸和彎曲變形方面，十二面體鉭支架比G7和立方體支架表現(xiàn)出更好的拉伸和彎曲性能。最大應力十二面體均勻分布于支板交叉處，導致支板斷裂前結構變形均勻。而G7和立方支架作為主要承重構件，橫向支板在變形初期就發(fā)生斷裂。
圖1 不同應變下不同結構鉭支架的幾何形態(tài):(a)十二面體;(b) G7;(c)立方體
本研究揭示了孔隙結構對鉭支架的變形行為和力學性能的影響，為鉭支架的設計、制備和應用提供了創(chuàng)新的見解和啟示，，EB-PBF制備的多孔鉭支架應根據(jù)力學性能要求合理選擇孔隙結構，為以后多孔鉭植入物的設計和優(yōu)化提供了有力的支持和參考。