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
• 来源期刊: 医用生物力学
• 关键词: 多孔结构 三周期极小曲面 有限元分析 力学性能
• 年，卷（期）: 2021,（4）
• 所属期刊栏目: 论著|Original Articles
• 页码范围: 576-581
• 页数: 6页
• 分类号: R318.01
• 语种: 中文
• DOI: 10.16156/j.1004-7220.2021.04.012

摘要

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.