【摘 要】
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由于人骨与骨支架的弹性模量存在较大的不匹配性,从而导致“应力屏蔽”效应,常常需要将医用金属支架设计成多孔结构,降低其弹性模量;骨支架除了需要适当的弹性模量之外,还要有足够的强度和韧性,防止过载失效。然而天然骨是梯度多孔结构,其孔隙率从边缘到中心逐渐增大,边缘的皮质骨孔隙率较低,主要起力学承载作用,中心的松质骨孔隙率较高,能够进行物质输送。梯度多孔支架能够较好地满足力学性能与生物相容性要求。因此,设
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由于人骨与骨支架的弹性模量存在较大的不匹配性,从而导致“应力屏蔽”效应,常常需要将医用金属支架设计成多孔结构,降低其弹性模量;骨支架除了需要适当的弹性模量之外,还要有足够的强度和韧性,防止过载失效。然而天然骨是梯度多孔结构,其孔隙率从边缘到中心逐渐增大,边缘的皮质骨孔隙率较低,主要起力学承载作用,中心的松质骨孔隙率较高,能够进行物质输送。梯度多孔支架能够较好地满足力学性能与生物相容性要求。因此,设计不同孔隙率分布的梯度多孔支架,选择具有良好力学性能和生物相容性的Ti6A14V材料,应用选区激光熔化（Selective Laser Melting,SLM）技术制备出梯度多孔支架样件,并且对制备的梯度多孔支架进行了力学性能研究。研究内容如下:（1）梯度多孔支架的设计。基于三周期极小曲面（TPMS）建立孔隙率与阈值（C）之间的关系,并选择表面积与体积比大的Diamond（D）结构用于设计梯度多孔支架。采用偏置量的方法设计12种不同孔隙率梯度分布的梯度多孔支架,探究边缘孔隙率（Pout）、中心孔隙率（Pin）和平均孔隙率（（?））对梯度多孔支架力学性能的影响。（2）梯度多孔支架的制备。梯度多孔支架因其具有复杂的几何特性,需要采用SLM技术制备;为了制备具有良好力学性能和微观结构的梯度多孔支架,研究了工艺参数对Ti6A14V成型零件致密度、孔隙差的影响。结果表明,优化后的工艺参数制备的样件,其致密度为99.15%,孔隙率差值为3.53%。（3）梯度多孔支架力学性能分析。对设计的12种梯度多孔支架进行力学性能模拟,结果表明Pout越小、Pin越大、P越小的梯度多孔支架具有越大的弹性模量、屈服强度;（?）对梯度多孔支架弹性模量、屈服强度影响大于Pout、Pin。（4）梯度多孔支架力学性能试验。通过准静态压缩试验,测试了梯度多孔支架的弹性模量、屈服强度、抗压强度和韧性。试验结果表明Pout越小、Pin越大、（?）越小的梯度多孔支架具有越大的弹性模量、屈服强度、抗压强度和韧性;（?）对梯度多孔支架弹性模量、屈服强度、抗压强度和韧性影响大于Pout、Pin。制备的梯度多孔支架满足了股骨和胫骨的弹性模量和抗压强度要求,采用Gibson-Ashby公式建立的力学性能模型可以用为面向医学骨科多孔支架的应用提供参考。
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