电子束增材制造多孔骨支架的选用与疲劳性能研究

增材制造多孔结构具有优良的力学仿生和促骨长入性能,支持骨科植入假体在体内的长期稳定。本研究采用三周期极小曲面(TPMS)法和电子束熔融技术(EBM)设计并制备了仿骨小梁多孔结构,通过微计算机断层扫描技术(Micro-CT)和力学疲劳实验研究它们的孔隙特性、机械力学和疲劳性能,提出了一套新颖的适用于骨科植入假体的选用方法,以满足孔隙连通、力学稳定和高周疲劳寿命的需求。Micro-CT和扫描电镜(SEM)表征发现,单元尺寸≥1.5 mm的多孔支架具有仿生的孔径(748μm)和良好的孔隙连通性;TPMS-Gyroid支架的力学稳定性和可靠性优于TPMS-Diamond支架,所建立的Gibson-Ashby方程可为钛合金多孔支架的设计提供力学性能预测;支架在应力水平为0.2时的疲劳寿命>106次,满足植入材料的长期安全使用要求,其弹性模量与人体松质骨的弹性模量相似(0.1~1.1 GPa)。疲劳行为的研究还发现,疲劳棘轮和疲劳损伤是引发多孔支架失效的主要原因。在设计金属多孔支架结构时,可通过增大支架单元尺寸来减少裂纹萌生的缺口数量,有助于提高支架的疲劳寿命。