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摘要
目的通过对钛合金骨小梁结构的表征与力学性能的研究,筛选确定用于髋关节和膝关节假体的骨小梁结构,促进髋关节和膝关节置换后骨长入,为生物型髋关节和膝关节假体设计奠定基础。材料与方法采用数值模拟的方法,研究比较了10种骨小梁单元的力学性能,确定了10种骨小梁的结构特征,根据骨小梁的理论结构特征,包括丝经孔径和孔隙率初步确定了用于假体设计的晶体结构骨小梁。采用数值模拟的方法进一步研究了矩形截面和圆形截面骨小梁试件的力学性能,采用3D打印技术制备了4种不同单元尺寸钛合金骨小梁的试件,考虑了不同位置和不同打印方向对试件力学性能的影响,进行了压缩实验得到了骨小梁试件的载荷位移曲线。采用实验方法表征了不同单元尺寸的骨小梁结构特征,包括丝径,孔径,孔隙率和通孔率。文中还对骨小梁截面面积与截面位置的关系进行了研究,绘制了骨小梁试件的截面图形,为制备剪切疲劳试件和设计胫骨平台的骨小梁结构提供了参考。结果晶体结构的骨小梁具有孔隙率高的优点,适合作为髋关节和膝关节假体的骨小梁;对骨小梁试件表征的结果显示,试件的丝径孔径与孔隙率受骨小梁单元尺寸的影响较大,试件的丝径大于2倍理论丝径,试件孔径小于理论孔径,试件孔隙率小于理论孔隙率,且与单元尺寸相关,单元尺寸大的孔隙率也大,丝径增大的原因也与用电子束制备骨小梁粉末的粒度有关(用于制备骨小梁试件的粉末粒度为45～11μμm)。对试件与产品通孔率的实验测量显示,单元边长尺寸大于2.0 mm的骨小梁通孔率为100%,单元边长尺寸小于2 mm的骨小梁不仅孔径小也容易发生堵孔的现象。骨小梁的弹性模量与骨小梁的单元边长相关,骨小梁理论模型的弹性模量随单元边长增加呈增大趋势,但是骨小梁试件的弹性模量随单元边长增加呈降低趋势,可能与丝径与孔径的变化有关。结论晶体结构骨小梁适合作为髋膝关节假体的多孔结构,骨小梁单元边长影响试件的孔隙率,通孔率和弹性模量。
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