供稿人：王义凯、高琳 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2024-05-23
功能分级的多孔支架最近引起广大学者的关注，因为它通过沿着支架放置密度梯度来更好地模拟骨组织，从而在机械和生物需求之间提供平衡，这有利于提升骨与支架之间的机械传导和组织再生效率。与其他金属生物材料相比，对增材制造Ta梯度晶格结构的微观结构和性能，特别是各种Ta梯度晶格结构的疲劳性能与生物性能仍缺乏了解。
新南威尔士大学的团队系统研究了激光粉末床熔合(LPBF)增材制造纯钽及其梯度晶格结构，重点研究了其微观结构演变、相形成、表面能和生物性能与传统锻造纯钽的比较。这项研究为LPBF增材制造纯Ta梯度晶格结构提供了新的深入见解，其结构具有理想的疲劳性能和生物相容性，可应用于临床承载骨科应用，本研究的发现有望为纯Ta晶格结构在骨科承重应用中提供潜力。
在研究过程中，该团队采用相同的优化LPBF参数，设计并制备了三种不同的Ta梯度陀螺晶格结构(即均匀结构、y梯度结构和z梯度结构) （如图1），测试了这三种结构的压缩性能和疲劳性能，并对其破坏机理进行了讨论。此外，还研究了其生物特性，包括细胞附着和生长。作为基准，此研究引入了常规锻造的纯Ta (forged-Ta)零件，并与LPBF-Ta进行了比较。对LPBF-Ta和forged-Ta的微观结构、表面能和生物学性能进行了系统表征和比较。这项研究表明，y型梯度结构在3种不同梯度结构中表现出最好的平台应力和压缩模量（如图2）。在变应力下，y梯度结构的疲劳响应优于其他两种结构。在细胞培养反应方面，均匀结构具有适合细胞粘附和生长的孔径，具有最佳的生物相容性。这些结论可以为今后多孔钽植入物的设计和优化提供理论参考。
图 1 晶格Ta的CAD设计和结构（a）均匀结构（b）Y梯度结构和（c）Z梯度结构，两幅插图是制造的Y梯度结构的侧视图，显示了在当前AM精度下可以实现的不同体积分数（即20%和10%）
图2 三种陀螺结构的应力-应变曲线。均匀和Y梯度结构表现出相似的破坏行为，而Z梯度表现出逐层坍塌。其中压缩断裂从低体积分数层（顶层）逐渐发生到高体积分数层（底层）