杆状和片状三周期极小曲面模型孔隙特征与力学性能对比

作者：秦嘉伟; 熊胤泽; 高芮宁; 李祥^*

来源：医用生物力学, 2021, 36(04): 576-581.

DOI：10.16156/j.1004-7220.2021.04.012

• 多孔结构
• 三周期极小曲面
• 有限元分析
• 力学性能

目的分析对比杆状与片状三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)模型孔隙特征与力学性能,构建高比表面积、低刚度和高强度的多孔结构。方法构建相同孔隙率的D、G、P 3种单元杆状TPMS与片状TPMS模型,对比模型的孔径、杆径、比表面积等孔隙特征;利用有限元方法分析模型的力学性能;采用增材制造技术制作多孔钛样件,利用显微镜和扫描电镜观测多孔钛孔隙特征,通过压缩试验检测多孔钛力学性能。结果同种单元片状结构的比表面积均显著高于杆状结构,同种单元片状结构的力学性能明显优于杆状结构。其中,D单元片状TPMS模型的优势最显著,比表面积为13.00 mm-1,多孔钛样件的弹性模量、屈服强度和抗压强度分别为(5.65±0.08) GPa、(181.03±1.30) MPa和(239.83±0.45) MPa,比杆状多孔钛样件分别提高43.87%、55.08%和67.21%。结论相同单元的片状TPMS模型在保留有多孔结构低刚度的同时,有更大的比表面积,更有利于细胞的黏附生长,其低刚度、更高强度的力学特性能有效降低应力遮挡,提供足够的力学支撑,是一种理想的骨缺损修复替代物孔隙结构模型。

• 单位
  机械系统与振动国家重点实验室; 上海交通大学