基于三周期极小曲面的多孔骨支架力学性能评价

目的基于三周期极小曲面(TPMS)设计多孔骨支架,评价其拉伸、压缩、扭转和三点弯曲力学性能,以期为满足人体不同部位的骨支架设计提供理论基础。方法以典型G型TPMS表达式为基础,建立G型多孔结构。通过增加或减少G型表达式中Sin(z)项,分别设计G-Ⅰ型和G-Ⅱ多孔结构。孔隙率设定为70%,采用聚乳酸材料,通过光固化3D打印技术分别打印用于拉伸、压缩、三点弯曲和扭转实验的标准试件,进行相关实验并对结果进行对比分析。结果G-Ⅰ型和G-Ⅱ拉伸弹性模量和最大载荷无显著差异,但均显著高于G型;压缩工况下,G-Ⅱ型结构和G型结构最大承载能力和弹性模量无显著差异,但均显著低于G-Ⅰ型;扭转实验结果显示,G-Ⅱ型抗扭强度最大,其最大扭矩和扭角均显著高于G型和G-Ⅰ型,G-Ⅰ型扭转力学性能高于G型,但无显著差异;G型、G-Ⅰ型、G-Ⅱ型多孔结构之间弯曲力学性能无显著差异。结论改进TPMS结构表达式能够建立新型结构,在一定程度上提高多孔结构的宏观力学性能。然而新型结构在不同工况条件下(拉、压、弯、扭)反映出宏观力学性能趋势存在一定差异,因此在多孔结构的设计、优化和应用过程中应该根据应用部位受载情况合理进行设计,以期获得力学性能最优的多孔骨支架。