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仿生骨小梁多孔结构建模及其力学性能研究

仿生骨小梁多孔结构建模及其力学性能研究

供稿人:董恩纯 王玲 供稿单位:机械制造系统工程国家重点实验室  发布日期:2019-03-16
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钛合金得益于其优良的力学性能与生物相容性能被广泛应用于医疗领域,并且随着近年来多孔结构的研究为钛合金克服应力屏蔽现象并促进骨长入提供了解决方案,使其在人工植入物领域发挥着越来越重要的作用。但是多孔结构设计众多,究竟什么样的多孔结构有利于骨整合目前尚无定论。

南京航空航天大学的研究人员基于Voronoi-Tessellation空间分割算法设计出了仿生骨小梁结构,Voronoi-Tessellation空间分割算法原理如下:首先,根据距离参数,在设计空间中生成均匀部分的控制点,然后,以这些控制点为球心,生成均匀分布的球体,再在球体内部随机生成新若干点,并且将这些随机生成的点相互连接,生成Voronoi单元,最后以这些Voronoi单元边线为基础,通过给边线赋予一定的截面面积,生成多孔结构。使用该算法,可以通过调整控制点的距离和Voronoi单元支柱截面大小生成不同孔隙率的多孔结构,也可以通过控制球内随机点的数量和随机程度,控制多孔单元的结构,从而可以根据需求设计出不同孔隙率与不同结构的多孔。

图1 Voronoi-Tessellation空间分割算法原理图

通过改变缩放系数与不规则系数,设计出不同孔隙率与结构的仿骨小梁多孔,然后使用SLM工艺进行制备,并对其进行了力学测试。力学测试结果显示抗压强度与孔隙度呈幂函数关系,等效弹性模量与孔隙度呈强线性关系。并且随着结构不规则程度的增加,弹性模量呈现急剧下降的趋势,与此同时抗压强度也表现出较大范围波动。根据不同孔隙率以及不同结构仿生骨小梁力学性能的研究,可以得到与人体松质骨力学性能和结构相接近的设计参数,并且最终可以通过控制Voronoi-Tessellation空间分割算法中控制点与随机点的生成规律,得到梯度仿生骨小梁多孔结构,从而做到真正意义上的仿形与仿性。

图2 仿生多孔结构设计与力学性能测试:(a)仿骨小梁结构设计与制备样件示意图;(b)力学性能测试结果

使用Voronoi-Tessellation空间分割算法,通过调整参数,可以得到力学性能与几何结构与人体自然松质骨相类似的仿生骨小梁多孔结构,这种结构可能有利于提高人工植入物植入后的骨整合情况 因此这种设计方法在人工假体与骨组织支架设计领域有着潜在的应用前景。

参考文献:

  1. Wang G, Shen L, Zhao J, Liang H, Xie D, Tian Z, et al. Design and Compressive Behavior of Controllable Irregular Porous Scaffolds: Based on Voronoi-Tessellation and for Additive Manufacturing. Acs Biomaterials Science & Engineering 2018,4-11.