供稿人:董恩純 王玲 發(fā)布日期：2018-07-02
承載區(qū)長(zhǎng)節(jié)段骨缺損的修復(fù)是骨外科復(fù)雜的手術(shù)，目前常植入仿生金屬多孔骨支架以模擬宿主骨生物力學(xué)特性和自然結(jié)構(gòu)。目前現(xiàn)有大多數(shù)研究側(cè)重于多孔晶格的基本力學(xué)性能表征，而理想的金屬植入物應(yīng)該是不同孔隙且力學(xué)性能各向異性，如何將多孔單元向所需特定生物力學(xué)性能的多孔植入物轉(zhuǎn)變成為關(guān)鍵問題。
圖1 (a)研究的圖文摘要和(b)兩種基本的多孔晶格結(jié)構(gòu)
托姆斯克理工大學(xué)的研究人員選用體心立方多孔單元和菱形四面體單元（圖1(b)示），分別設(shè)計(jì)了兩層和三層不同多孔結(jié)構(gòu)的管狀模型（長(zhǎng)度35mm×外徑15mm），具體模型參數(shù)如表1所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E9采用ARCAM A2 EBM機(jī)器制備實(shí)驗(yàn)試樣（圖1(a)所示），對(duì)其進(jìn)行單軸壓縮測(cè)試并確定不同骨支架的彈性模量和屈服強(qiáng)度。
圖2 試樣壓縮測(cè)試的應(yīng)力應(yīng)變曲線和變形圖
EBM加工均勻多孔Ti6Al4V結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出低延展性甚至是脆性，而本研究所有測(cè)試樣件的應(yīng)力應(yīng)變曲線（圖2所示)）在壓縮應(yīng)力第一峰值處存在相對(duì)光滑的平臺(tái)區(qū)域，該現(xiàn)象類似于塑性的金屬泡沫。因此，EBM制造多孔結(jié)構(gòu)脆性變形行為可通過分層結(jié)構(gòu)予以改善，從而表現(xiàn)出更好的吸能特性。
通過該研究可得以下結(jié)論：（1）多孔Ti6Al4V結(jié)構(gòu)在加權(quán)平均梯度孔隙率21-65%下的彈性模量和壓縮強(qiáng)度分別為0.9-3.6GPa和31-212MPa；（2）采用EBM制備了五種不同結(jié)構(gòu)和密度的多孔支架并力學(xué)性能測(cè)試，探究了密度對(duì)力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明晶格單元選擇決定其宏觀結(jié)構(gòu)的失效機(jī)制；（3）分層梯度多孔支架設(shè)計(jì)能影響其變形行為，再結(jié)合一些獨(dú)特的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)將有利于臨床。
研究還存在的不足之處：由于管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)外層多孔晶格不同晶胞尺寸和尺寸參數(shù)的差別，造成不同晶格交界面上能顯著地搭接不連續(xù)現(xiàn)象，從而影響梯度多孔支架的變形行為，然而文中并未征對(duì)該缺陷進(jìn)行深入討論和分析。同時(shí)，后續(xù)研究圍繞該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并深入探究其失效機(jī)制和應(yīng)力分布。