暨南大學Mater &?Des：多孔鈦合金骨修復材料的拓撲結構極大影響了材料的力學性能、滲透性

導讀：

目前多孔鈦合金骨修復材料被廣泛用于骨修復領域。如何根據植入/修復部位的受力狀況，設計出滿足性能要求的多孔結構？多孔單元的拓撲結構對材料力學性能及液體滲透性能有何影響？這些問題直接影響了多孔鈦合金骨修復材料的設計。

在鈦合金中引入多孔結構可以解決“應力遮擋”問題，同時孔隙也為新骨長入提供了“空間”。體液在多孔材料中的滲透性能影響了營養物質的傳遞，以及骨支架與基體骨的結合性能。因而研究多孔單元的拓撲結構對材料力學性能及滲透性能的影響，可有效指導多孔骨修復材料的設計。

成果介紹：

暨南大學先進耐磨蝕及功能材料研究院玉貴升、李衛、王小健等人利用選擇性激光熔化（SLM）制備了孔隙率為65%的三種不同拓撲結構Ti6Al4V多孔骨支架（Primitive、Gyroid、BCC），系統地研究了孔單元拓撲結構對多孔鈦合金拉伸、壓縮強度及液體滲透性系數的影響。

結果顯示：三種多孔Ti6Al4V樣品的彈性模量均位于人體骨骼彈性模量（4~30GPa），符合人體植入物的彈性模量要求。同時具有較強的力學支撐，抗壓強度和抗拉強度均高于140MPa；Gyroid結構具有最高的抗壓強度，其抗壓強度約是BCC結構的2倍。后續研究發現Gyroid結構在最大應力截面處的橫截面積最大，Gyroid結構具有更好的應力傳遞，不易開裂，這可能Gyroid結構具有最大的抗壓、抗拉強度的原因。

結果表明：孔單元拓撲結構對材料強度有著較大的影響，該結果補充完善了經典多孔材料孔結構與力學性能關系，既Gibson-Ashby模型。

同時本文采用了落差法和CFD分析對滲透性進行了研究。結果表明，具有BCC結構的支架滲透性系數最高，原因在于BCC支架具有最大的孔徑和直通連接結構，對流體流動的阻礙較小。而Gyroid支架的滲透性約為BCC支架的20%。多孔支架的滲透性不僅與其孔隙率有關，還與其孔徑、形態特征有關。本文在此基礎上得出結論：孔單元的拓撲結構也至關重要，在相同的孔隙率和孔徑條件下，所選多孔形貌應盡可能簡單。

（a）多孔支架的壓降（ΔP）與流速（m/s）的相關性；（b）模擬結果與實驗結果的滲透性比較；（c）入口流速為0.01m/s時多孔支架的CFD分析壓力等值線和（d）速度等值線。

本文結果表明：孔單元的拓撲結構對材料的力學性能及滲透性能較為顯著的影響，在Primitive、Gyroid、BCC三種結構中，Gyroid結構力學強度最高，但是以犧牲滲透性能為代價。而BCC結構力學性能較低，其滲透性系數最高。同一孔隙率條件下，性能相差可達數倍。因而在設計多孔鈦合金骨修復材料時可根據具體植入部位選擇相應的拓撲結構。

文章信息：G Yu, W Li,?X Wang* et al, The select of internal architecture for porous Ti alloy scaffold: A compromise between mechanical properties and permeability, Materials & Design, 2020, 192,108754.

原文鏈接：DOI:https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108754

團隊介紹：

王小健，暨南大學研究員，博士生導師，廣東省3D打印與增材制造工程技術研究中心主任，暨南大學3D打印材料技術與增材制造研究中心主任。主要研究方向：新型醫用鈦合金，可降解醫用金屬，醫用金屬增材制造。

暨南大學生物醫用材料中心充分結合基礎研究與應用研究，研究方向集中在醫用金屬功能材料和生物摩擦學兩個方面。已建設有“高性能金屬耐磨材料技術國家地方聯合工程研究中心”，“暨南大學-皇家墨爾本理工大學金屬基3D打印技術及新穎結構聯合實驗室”，“廣東省3D打印與增材制造工程技術研究中心”等重要研發平臺。生物中心目前有專任教師20余人，柔性引進澳大利亞工程院院士1人，海外高層次人才3人。目前已與澳大利亞、英國、德國多所高校，港澳高校、國內著名高校及研究機構、生物材料應用單位及多家醫院建立起良好的合作關系。

相關文獻推薦：?

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本文由作者團隊供稿。