供稿人：吕乃昕、高琳 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-09-28
多孔钽支架因其优异的耐腐蚀性、高摩擦系数、适宜的力学性能、优异的骨导电性和成骨性等优点，已被临床应用于骨组织修复中。然而，制备过程的繁琐和问题限制了它们的广泛应用。增材制造技术作为一种先进、强大、成熟的加工技术，克服了传统工艺的不足，可用于制造具有复杂分层结构和高精度的多孔金属支架，彻底改变了骨科植入物的设计和工艺。
其中孔结构对种植体的力学和生物学特性至关重要。与钛合金和不锈钢相比，钽的强度较低，但延展性较好，这使得多孔钽支架的变形行为不同于其他材料。因此，有必要系统地研究孔隙结构对多孔钽支架变形行为和力学性能的影响。此外，真实生理环境极其复杂，植入物需要承受来自人体不同运动状态的多个方向的载荷，需要考虑抗压、拉伸、弯曲等综合力学性能，而孔隙结构对压缩、拉伸和弯曲性能的影响尚不清楚。
因此，中南大学粉末冶金国家重点实验室研究人员采用电子束粉末床熔合(EB-PBF)制备了具有十二面体、G7和立方结构的多孔钽支架。通过压缩试验、拉伸试验、三点弯曲试验和有限元分析，研究了孔隙结构对多孔钽支架变形行为和力学性能的影响。在压缩试验中，其力学性能介于皮质骨和松质骨之间，适合作为植入材。G7和立方支架的变形以屈曲为主，十二面体支架主要以弯曲变形为主，抗压强度较低。另一方面，十二面体支架具有优异的拉伸和弯曲性能。在拉伸和弯曲变形方面，十二面体钽支架比G7和立方体支架表现出更好的拉伸和弯曲性能。最大应力十二面体均匀分布于支板交叉处，导致支板断裂前结构变形均匀。而G7和立方支架作为主要承重构件，横向支板在变形初期就发生断裂。
图1 不同应变下不同结构钽支架的几何形态:(a)十二面体;(b) G7;(c)立方体
本研究揭示了孔隙结构对钽支架的变形行为和力学性能的影响，为钽支架的设计、制备和应用提供了创新的见解和启示，，EB-PBF制备的多孔钽支架应根据力学性能要求合理选择孔隙结构，为以后多孔钽植入物的设计和优化提供了有力的支持和参考。