供稿人：董恩純 王玲 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2019-03-16
鈦合金得益于其優(yōu)良的力學(xué)性能與生物相容性能被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，并且隨著近年來(lái)多孔結(jié)構(gòu)的研究為鈦合金克服應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象并促進(jìn)骨長(zhǎng)入提供了解決方案，使其在人工植入物領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。但是多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)眾多，究竟什么樣的多孔結(jié)構(gòu)有利于骨整合目前尚無(wú)定論。
南京航空航天大學(xué)的研究人員基于Voronoi-Tessellation空間分割算法設(shè)計(jì)出了仿生骨小梁結(jié)構(gòu)，Voronoi-Tessellation空間分割算法原理如下：首先，根據(jù)距離參數(shù)，在設(shè)計(jì)空間中生成均勻部分的控制點(diǎn)，然后，以這些控制點(diǎn)為球心，生成均勻分布的球體，再在球體內(nèi)部隨機(jī)生成新若干點(diǎn)，并且將這些隨機(jī)生成的點(diǎn)相互連接，生成Voronoi單元，最后以這些Voronoi單元邊線(xiàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)給邊線(xiàn)賦予一定的截面面積，生成多孔結(jié)構(gòu)。使用該算法，可以通過(guò)調(diào)整控制點(diǎn)的距離和Voronoi單元支柱截面大小生成不同孔隙率的多孔結(jié)構(gòu)，也可以通過(guò)控制球內(nèi)隨機(jī)點(diǎn)的數(shù)量和隨機(jī)程度，控制多孔單元的結(jié)構(gòu)，從而可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)出不同孔隙率與不同結(jié)構(gòu)的多孔。
圖1 Voronoi-Tessellation空間分割算法原理圖
通過(guò)改變縮放系數(shù)與不規(guī)則系數(shù)，設(shè)計(jì)出不同孔隙率與結(jié)構(gòu)的仿骨小梁多孔，然后使用SLM工藝進(jìn)行制備，并對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)測(cè)試。力學(xué)測(cè)試結(jié)果顯示抗壓強(qiáng)度與孔隙度呈冪函數(shù)關(guān)系，等效彈性模量與孔隙度呈強(qiáng)線(xiàn)性關(guān)系。并且隨著結(jié)構(gòu)不規(guī)則程度的增加，彈性模量呈現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì)，與此同時(shí)抗壓強(qiáng)度也表現(xiàn)出較大范圍波動(dòng)。根據(jù)不同孔隙率以及不同結(jié)構(gòu)仿生骨小梁力學(xué)性能的研究，可以得到與人體松質(zhì)骨力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)相接近的設(shè)計(jì)參數(shù)，并且最終可以通過(guò)控制Voronoi-Tessellation空間分割算法中控制點(diǎn)與隨機(jī)點(diǎn)的生成規(guī)律，得到梯度仿生骨小梁多孔結(jié)構(gòu)，從而做到真正意義上的仿形與仿性。
圖2 仿生多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)性能測(cè)試：（a）仿骨小梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備樣件示意圖；（b）力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果
使用Voronoi-Tessellation空間分割算法，通過(guò)調(diào)整參數(shù)，可以得到力學(xué)性能與幾何結(jié)構(gòu)與人體自然松質(zhì)骨相類(lèi)似的仿生骨小梁多孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可能有利于提高人工植入物植入后的骨整合情況 因此這種設(shè)計(jì)方法在人工假體與骨組織支架設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。