暨南大学Mater & Des：多孔钛合金骨修复材料的拓扑结构极大影响了材料的力学性能、渗透性

导读：

目前多孔钛合金骨修复材料被广泛用于骨修复领域。如何根据植入/修复部位的受力状况，设计出满足性能要求的多孔结构？多孔单元的拓扑结构对材料力学性能及液体渗透性能有何影响？这些问题直接影响了多孔钛合金骨修复材料的设计。

在钛合金中引入多孔结构可以解决“应力遮挡”问题，同时孔隙也为新骨长入提供了“空间”。体液在多孔材料中的渗透性能影响了营养物质的传递，以及骨支架与基体骨的结合性能。因而研究多孔单元的拓扑结构对材料力学性能及渗透性能的影响，可有效指导多孔骨修复材料的设计。

成果介绍：

暨南大学先进耐磨蚀及功能材料研究院玉贵升、李卫、王小健等人利用选择性激光熔化（SLM）制备了孔隙率为65%的三种不同拓扑结构Ti6Al4V多孔骨支架（Primitive、Gyroid、BCC），系统地研究了孔单元拓扑结构对多孔钛合金拉伸、压缩强度及液体渗透性系数的影响。

结果显示：三种多孔Ti6Al4V样品的弹性模量均位于人体骨骼弹性模量（4~30GPa），符合人体植入物的弹性模量要求。同时具有较强的力学支撑，抗压强度和抗拉强度均高于140MPa；Gyroid结构具有最高的抗压强度，其抗压强度约是BCC结构的2倍。后续研究发现Gyroid结构在最大应力截面处的横截面积最大，Gyroid结构具有更好的应力传递，不易开裂，这可能Gyroid结构具有最大的抗压、抗拉强度的原因。

结果表明：孔单元拓扑结构对材料强度有着较大的影响，该结果补充完善了经典多孔材料孔结构与力学性能关系，既Gibson-Ashby模型。

同时本文采用了落差法和CFD分析对渗透性进行了研究。结果表明，具有BCC结构的支架渗透性系数最高，原因在于BCC支架具有最大的孔径和直通连接结构，对流体流动的阻碍较小。而Gyroid支架的渗透性约为BCC支架的20%。多孔支架的渗透性不仅与其孔隙率有关，还与其孔径、形态特征有关。本文在此基础上得出结论：孔单元的拓扑结构也至关重要，在相同的孔隙率和孔径条件下，所选多孔形貌应尽可能简单。

（a）多孔支架的压降（ΔP）与流速（m/s）的相关性；（b）模拟结果与实验结果的渗透性比较；（c）入口流速为0.01m/s时多孔支架的CFD分析压力等值线和（d）速度等值线。

本文结果表明：孔单元的拓扑结构对材料的力学性能及渗透性能较为显著的影响，在Primitive、Gyroid、BCC三种结构中，Gyroid结构力学强度最高，但是以牺牲渗透性能为代价。而BCC结构力学性能较低，其渗透性系数最高。同一孔隙率条件下，性能相差可达数倍。因而在设计多孔钛合金骨修复材料时可根据具体植入部位选择相应的拓扑结构。

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.

原文链接：DOI:https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108754

团队介绍：

王小健，暨南大学研究员，博士生导师，广东省3D打印与增材制造工程技术研究中心主任，暨南大学3D打印材料技术与增材制造研究中心主任。主要研究方向：新型医用钛合金，可降解医用金属，医用金属增材制造。

暨南大学生物医用材料中心充分结合基础研究与应用研究，研究方向集中在医用金属功能材料和生物摩擦学两个方面。已建设有“高性能金属耐磨材料技术国家地方联合工程研究中心”，“暨南大学-皇家墨尔本理工大学金属基3D打印技术及新颖结构联合实验室”，“广东省3D打印与增材制造工程技术研究中心”等重要研发平台。生物中心目前有专任教师20余人，柔性引进澳大利亚工程院院士1人，海外高层次人才3人。目前已与澳大利亚、英国、德国多所高校，港澳高校、国内著名高校及研究机构、生物材料应用单位及多家医院建立起良好的合作关系。

相关文献推荐： 

1. L Chen, Y Sheng, H Zhou, Z Li, X Wang*, W Li*, Influence of a MAO+ PLGA coating on biocorrosion and stress corrosion cracking behavior of a magnesium alloy in a physiological environment,Corrosion Science.2019,148,134-143.

2. Hui Liu, Junjie Yang, Xueyang Zhao, Yinying Sheng, Wei Li* , Chi-Lung Chang, Qiang Zhang, Zhentao Yu, Xiaojian Wang*, Microstructure, mechanical properties and corrosion behaviors of biomedical Ti-Zr-Mo-xMn alloys for dental application, Corrosion Science.2019,161,108195.

3. X.J. Wang, S Xu, S Zhou, W Xu, M Leary, P Choong, M Qian, M Brandt,Y Xie*, Topological design and additive manufacturing of porous metals for bone scaffolds and orthopaedic implants: A review, Biomaterials. 2016,83,127-141.

4. X.J. Wang, Y.C. Li, J.Y. Xiong, P.D. Hodgson, C.E. Wen, Porous TiNbZr alloy scaffolds for biomedical applications,Acta Biomater.2009,5,3616-3624.

5. X.J. Wang, Y.C. Li, J.G. Lin, P.D. Hodgson, C.E. Wen*, In vitro bioactivity evaluation of titanium and niobium metals with different surface morphologies, Acta Biomater. 2008, 4, 1530-1535.

本文由作者团队供稿。