選擇性激光熔融制備連續(xù)功能梯度多孔鈦骨支架

純鈦或鈦合金多孔支架已能接近人體骨模量屬性。然而，用于仿生自然骨的剛度梯度漸變特征非常重要，高孔隙率有利于骨細(xì)胞貼附/增殖/分化，低孔隙率保證了承載區(qū)足夠的力學(xué)性能需求。理想的有利于骨內(nèi)生長的支架孔隙率為90%，如果采用均勻孔隙其力學(xué)性能難以滿足實(shí)際承載的強(qiáng)度要求，因而，功能梯度多孔支架(FGPS)將所需的高孔隙率和力學(xué)性能完美組合，為骨替代物提供了良好的綜合性能。傳統(tǒng)制造FGPS存在孔隙與力學(xué)性能可控性難、精度低、難重復(fù)等問題，而采用選擇性激光融化(SLM)能直接制造完整的互連通金屬多孔支架。

目前少有研究側(cè)重于SLM制備FGPS。為此，華中科技大學(xué)史玉升教授團(tuán)隊(duì)圍繞三維周期極小曲面D型曲面單元，采用SLM制備不同梯度孔隙率的試樣，對(duì)其進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)評(píng)估和力學(xué)性能測試。

圖1 梯度多孔結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果：(a) 應(yīng)力應(yīng)變曲線；(b) 壓縮變形；(c) 多孔結(jié)構(gòu)相對(duì)模量及強(qiáng)度同相對(duì)密度的函數(shù)關(guān)系

通過對(duì)功能梯度多孔支架進(jìn)行顯微形貌觀察內(nèi)部并無缺陷，且孔隙率與CAD模型的偏差為3.61%，具有良好的幾何重復(fù)性；SLM加工的支柱直徑范圍為483μm-905μm；且彈性模量和屈服強(qiáng)度范圍分別為0.28-0.59GPa和3.79-17.75MPa；通過壓縮實(shí)驗(yàn)測量，開發(fā)了梯度孔隙率和壓縮力學(xué)性能的數(shù)學(xué)關(guān)系。該研究將為設(shè)計(jì)和制造性能更優(yōu)的骨替代物梯度多孔支架提供一種新的方法。

來源：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室