基于泰森多边形图算法生成人工骨小梁的3D打印加工精度及生物力学性能

作者：张敬乙; 刘俭涛; 高延征^*; 王宏博; 王彦飙; 杨寅; 刁攀

来源：中华创伤杂志, 2020, 36(10).

• 内固定器
• 生物力学
• 骨小梁结构

目的探讨基于泰森多边形图算法生成的不同孔隙率人工骨小梁的3D打印加工精度及生物力学性能, 为骨科钛合金内置物生物力学性能的改良提供参考。方法选择1名健康成年男性志愿者(年龄30岁, 身高175 cm, 体重70 kg), 采集其腰椎CT扫描数据, 利用泰森多边形图算法生成5种不同孔隙率的仿生人工骨小梁, 根据孔隙率的差异分为TraA(73.7%)、TraB(74.1%)、TraC(80.0%)、TraD(80.2%)、TraE(85.7%)5组。利用选择性激光熔化(SLM)3D打印技术将各组人工骨小梁加工成直径18 mm、高度20 mm的圆柱状钛合金材质假体, 每组加工3个试样。利用工业显微镜对每组试样进行扫描, 对比其实际孔隙率和理论孔隙率, 评估加工质量;通过体外力学测试, 对各组人工骨小梁试样的极限载荷、屈服强度及弹性模量进行测量, 评估生物力学性能。结果所有试件内部无裂纹、连接杆断裂、钛合金粉末堆积等不良现象。5组人工骨小梁试件的实际孔隙率平均值分别为66.0%、65.5%、71.8%、72.5%、78.1%, 与理论孔隙率相比, 分别偏小10.5%、11.6%、10.2%、9.7%、8.8%。体外力学测试显示, 5组人工骨小梁试件极限载荷平均值分别为23.6 kN、18.9 kN、17.0 kN、16.3 kN、10.7 kN, 屈服强度平均值分别为72.2 MPa、58.7 MPa、54.9 MPa、52.2 MPa、36.1 MPa, 弹性模量平均值分别为7.5 GPa、6.3 GPa、4.5 GPa、4.3 GPa、2.4 GPa, 三者随着人工骨小梁孔隙率的增大均呈减小趋势。结论基于泰森多边形图算法生成的仿生人工骨小梁结构通过SLM 3D打印加工而成的钛合金试件具有较好的加工质量, 且随着孔隙率增加, 其加工精度更好。随着孔隙率增加, 人工骨小梁的极限载荷、屈服强度和弹性模量均呈减小趋势。

• 单位
  河南省人民医院; 西安交通大学第二附属医院; 西安市中心医院