摘要 目的 研究不同胞元结构对多孔钛合金支架静态力学性能和动态力学性能的影响,为临床下颌骨缺损修复支架的应用提供力学理论基础。方法 采用3D打印技术制造钻石胞元、立方体胞元和截面立方体胞元结构的多孔钛合金支架,开展支架单轴压缩试验和压缩棘轮疲劳试验,分析不同胞元结构支架的静态和动态力学性能。结果 钻石胞元、截面立方体胞元、立方体胞元支架的弹性模量分别为1.17、0.566、0.322 GPa,屈服强度分别为71.8、65.1、31.8 MPa。棘轮应变达到稳定阶段后,截面立方体胞元结构、钻石胞元结构、立方体胞元结构支架的棘轮应变分别为3.3%、4.0%、4.5%。棘轮应变随平均应力、应力幅值和峰值保持时间的增加而增加,随加载速率的增加而减小。结论 静态力学性能的评估结果为钻石胞元支架最优,截面立方体胞元支架次之,立方体胞元支架最差;动态力学性能评估结果为截面立方体胞元支架最优,钻石胞元支架次之,立方体胞元支架最差。研究结果为临床下颌骨缺损修复支架的构建提供新思路,也为该支架技术的进一步临床应用提供实验依据。
关键词:
多孔钛合金支架
胞元结构
静态力学性能
动态力学性能
3D打印
下颌骨是面部结构中重要的支撑组织,对于咀嚼、言语和面部外貌的功能起着关键作用。由于创伤、疾病或其他原因引起的下颌骨缺损,常常给患者带来严重的生理和心理困扰 [1-3] ,支架植入是下颌骨缺损修复的一种常用的治疗方法。因此,植入支架的结构和力学性能成为研究热点 [2,4-5] 。多孔钛合金支架作为一种理想的植入支架,在下颌骨缺损修复中展示了巨大的潜力。多孔结构可以促进骨内生长,增加植入物与周围骨组织的结合力,并提高植入物的稳定性 [6-7] 。多孔钛合金支架的力学性能对于其在下颌骨缺损修复中的长期稳定性和功能恢复至关重要。
在多孔钛合金支架的设计中,孔隙率、杆径、孔径和胞元结构等因素都会对多孔支架的性能产生影响 [8-12] 。Zheng等 [13] 研究发现,多孔结构的静态力学性能会随着多孔结构的孔隙率增加而增加。Taniguchi等 [14] 研究表明,当多孔钛合金支架孔径为600、900 μm时,对骨缺损修复的效果较好。Stok等 [15] 使用杆径为120、230 μm多孔钛合金支架对临界骨缺损修复,发现两种杆径的支架较对照组生成了更多的骨组织。Ahmadi等 [16] 对不同胞元结构的多孔钛合金支架进行压缩性能测试,结果发现胞元结构对支架的静态力学性能影响较明显。综上所述,目前研究主要关注结构参数对支架静态力学或者生物学性能的影响,而支架结构参数对支架动态力学性能影响的研究较少。
本文旨在系统评估不同胞元结构的多孔钛合金支架力学性能。以钻石胞元、立方体胞元和截面立方体胞元为研究对象,利用3D打印技术对支架进行制造,使用万能试验机和电磁动态力学试验机对支架的静态和动态力学性能进行分析评估,以全面探索不同胞元结构支架在应力环境下的响应。通过研究不同胞元结构多孔钛合金支架的力学性能,为下颌骨缺损修复领域的支架设计和临床应用提供科学依据。
UG 12.0(Siemens PLM Software公司,美国);3D打印设备(Concept Laser公司,德国);WDW-300万能试验机(长春科新试验仪器有限公司),M-3000电磁动态力学试验机(凯尔测控试验系统(天津)有限公司);数字图像相关设备(包括高倍放大镜,计算机和数据处理软件);Ti6Al4V金属粉末。
利用UG 12.0对钻石胞元、立方体胞元和截面立方体胞元多孔钛合金支架的三维图像进行设计。3种胞元结构的孔径均为900 μm,杆径均为200 μm,孔隙率分别为89.6%、87.3%、81.0%。将单个胞元通过阵列得到多孔支架模型,利用圆柱体对多孔支架模型进行布尔运算,最后得到不同胞元类型多孔钛合金支架模型(见 图1
将UG 12.0设计完成的多孔钛合金支架模型转换成STL格式并导入3D打印设备,采用选择性激光熔融(selective laser melting,SLM)工艺进行打印,打印材料为Ti6Al4V金属粉末。采用数字图像相关设备对打印的多孔钛合金支架的杆径和孔径进行观察和测量。利用体积法 [17] 对支架孔隙率的实际值进行测量,其计算公式为:
式中: P 实际 为支架实际孔隙率; V 为圆柱模型体积; V 1 为支架实际体积。
使用WDW-300万能试验机,根据多孔金属材料机械测试的ISO 13314∶2011标准开展多孔钛合金支架单轴压缩实验,载荷加载速度为0.1 mm/min,在室温下进行,每组支架设置3个平行样本。根据试验数据,绘制应力-应变曲线,通过曲线获得3种胞元结构多孔钛合金支架的弹性模量以及屈服强度。
使用M-3000电磁动态力学试验机进行支架棘轮疲劳实验。压缩棘轮疲劳实验的载荷参数由单轴压缩测试结果获得。实验加载采用压-压形式,施加1 MPa预载荷获得初始应力状态,加载波形为三角波,加载速率为10 MPa/s,钻石胞元支架、立方体胞元支架和截面体胞元支架应力幅值分别为22、10、20 MPa,峰值保持时间0 s。实验结束条件为应变达到30%或循环圈数到达500圈,每组支架设置3个平行样本。通过得到的实验数据绘制滞环曲线,然后通过对棘轮疲劳实验的应力载荷归一化 [18] ,分析比较不同胞元结构支架的棘轮疲劳性能。选取棘轮疲劳性能较好的支架开展不同平均应力、不同应力幅值、不同应力加载速率和不同峰值应力保持时间的棘轮疲劳实验,确定其对支架棘轮应变的影响规律。
图2 所示为3D打印SLM工艺制造的不同胞元结构的多孔钛合金支架试件。其中,钻石胞元支架直径为10 mm,高为6.3 mm,立方体胞元支架直径为10 mm,高为6.0 mm,截面立方体胞元支架直径为10 mm,高为6.0 mm。支架试件表面完整,孔洞清晰。
使用数字图像相关设备观察3种胞元结构支架的顶面(见 图3 ),支架试件的胞元结构规整,表面存在未完全熔融的金属颗粒,表面较粗糙。
利用体积法对支架试件孔隙率进行测量计算,通过比较支架试件杆径实际尺寸与设计尺寸,判断支架的成形质量。结果显示,钻石胞元支架的孔隙率相对误差为18.2%,杆径相对误差为37.5%;立方体胞元支架的孔隙率相对误差为1.2%,杆径相对误差为27.0%;截面立方体胞元支架的孔隙率相对误差为2.5%,杆径相对误差为25.5%(见 表1 )。从杆径和孔隙率测量结果得出钻石胞元支架相对误差高于其他两种支架,其原因是钻石胞元相对于其他两种胞元结构较复杂,3D打印时Ti6Al4V粉末不易从孔洞脱出,导致钻石胞元支架打印成形质量相对较差。
由3种胞元多孔钛合金支架应力-应变曲线可见,钻石胞元支架、立方体胞元支架在应变约为10%进入屈服阶段,截面立方体胞元支架在应变约为16%进入屈服阶段[见 图4 (a)]。不同曲线的线性阶段拟合得到斜率即为支架的弹性模量,钻石胞元、截面立方体胞元、立方体胞元支架的弹性模量分别为1.170、0.566、0.322 GPa[见 图4 (b)]。规定以产生0.2%残余变形的应力作为其屈服强度,钻石胞元、截面立方体胞元、立方体胞元支架的屈服强度分别为71.8、65.1、31.8 MPa[见 图4 (c)]。就弹性模量和屈服强度而言,钻石胞元支架>截面立方体胞元支架>立方体胞元支架。综上所述,3种胞元多孔钛合金支架在压缩性能上的表现为:钻石胞元支架最优,截面立方体胞元支架次之,立方体胞元支架最差。
由钻石胞元、立方体胞元和截面立方体胞元支架的滞环曲线可见,3种胞元结构支架在实验初始阶段的棘轮应变行为:滞环曲线明显不闭合,滞环曲线不闭合引起了棘轮应变累积。随着循环圈数的增加,3种滞环曲线闭合程度明显,在50圈后出现闭合的趋势,500圈几乎完全闭合[见 图5 (a)]。3种不同胞元结构支架在循环变形过程中,滞环之间的间距越来越小,这是因为材料发生循环硬化 [19] ,相同应力水平下变形阻力变大,滞环逐渐闭合,棘轮应变累积速率变慢达到近似稳定。
载荷归一化后,3种胞元结构支架的棘轮应变情况均分为瞬变和稳定两个阶段。瞬变阶段,加载圈数在100圈前,应变快速累积;稳定阶段在加载圈数100圈后,棘轮应变缓慢增加达到平稳。在应力归一化水平下,立方体胞元支架的棘轮应变累积速率最快,稳定阶段其棘轮累积应变为4.5%;钻石胞元支架的棘轮应变累积速率介于立方体胞元支架与截面立方体支架之间,稳定阶段其棘轮累积应变为4.0%;截面立方体胞元的棘轮应变累积最慢,稳定阶段其棘轮累积应变为3.3%[见 图5 (b)]。
分析不同胞元结构支架的棘轮性能,结果显示,截面立方体胞元支架的棘轮累积应变最小。选取截面立方体胞元支架为研究对象,开展不同加载条件下支架棘轮疲劳实验。结果显示:
(1) 在不同平均应力下,棘轮应变随着平均应力的增加而增加[见 图6 (a)]。
图6 不同加载条件对截面立方体胞元支架棘轮行为的影响
(2) 在不同应力幅值下,加载圈数小于100圈时,棘轮应变随着加载圈数的增加而增加。实验加载圈数为100圈前,应力幅值20 MPa的棘轮应变累积速率小于16 MPa棘轮应变累积速率;加载圈数为100圈时,16、20 MPa 两种应力幅值下棘轮应变相等;加载圈数大于100圈时,随着加载圈数的增加,应力幅值20 MPa的棘轮应变累积速率大于16 MPa棘轮应变累积速率;棘轮应变累积达到稳定阶段,应力幅值12、16、20 MPa的棘轮应变分别为1.5%、2.8%和3.5%,棘轮应变随着应力幅值的增加而增加[见 图6 (b)]。
(3) 在不同加载速率下,随着加载速率的提高,支架棘轮应变降低[见 图6 (c)]。
(4) 不同峰值应力保持时间下,峰值应力保持时间为1 s时的棘轮应变约是0 s的2倍,峰值应力保持时间2 s时的棘轮应变约是0 s的3倍。随着峰值应力保持时间越长,棘轮应变越大[见 图6 (d)]。
随着3D打印技术在组织工程界迅速发展,结构复杂的多孔钛合金支架被制造并作为生物植入体广泛应用。多孔钛合金支架解决了支架与下颌骨应力不匹配的难题,并可以设计打印出与下颌骨解剖结构相匹配的复杂几何形状 [20-21] 。通过对皮质骨和松质骨微观结构分析,多孔钛合金支架孔径900 μm、孔隙率大于80%满足骨内部的孔隙结构(骨的孔隙率为5%～90%,孔径为10～1 000 μm [22-24] )。
冯辰栋等 [17] 采用SLM和电子束熔融(electron beam melting, EBM)两种打印技术制造多孔钛合金支架,发现SLM工艺比EBM打印精度高。本文多孔钛合金支架的打印误差规律与冯辰栋等 [17] 研究相似。通过数字图像相关设备对3D打印制造的多孔钛合金支架观察,发现支架外观较完整,支架表面有未完全熔融的金属颗粒导致表面粗糙。Ronold等 [25] 研究认为,这种粗糙表面有利于细胞在支架内部进行附着繁殖。
根据不同胞元结构的多孔钛合金支架单轴压缩实验得出,钻石胞元支架的弹性模量和屈服强度最高,截面立方体胞元支架次之,立方体胞元支架最低。3种支架的弹性模量范围为0.322～1.17 GPa,屈服强度范围为31.8～71.8 MPa,与人体松质骨的弹性模量和屈服强度相匹配 [26] (弹性模量0.01～3 GPa,屈服强度0.2～120 MPa)。
下颌骨与其他骨组织不同,具有复杂的咀嚼运动,故植入支架应具备一定的抗疲劳能力。本文使用M-3000电磁动态力学试验机进行压缩棘轮疲劳实验,比较不同胞元类型支架的棘轮疲劳性能。实验结果表明,立方体胞元支架的棘轮应变累积速度最快,截面立方体胞元支架的棘轮应变累积速度最慢。不同胞元结构的多孔钛合金支架的静态力学性能优异顺序与相同结构的棘轮疲劳性能优异顺序不同,说明棘轮疲劳性能除了静态力学性能外,主要受胞元结构影响,这与Amin等 [18] 的研究结果相对应。通过研究截面立方体胞元结构多孔钛合金支架不同加载条件下的棘轮疲劳性能发现,随着平均应力、应力幅值和峰值保持时间的增加,棘轮应变明显增加;随着加载速率的增加,棘轮应变明显减小。综上所述,多孔钛合金支架植入下颌骨时,应避免咀嚼硬物。
本文采用3D打印技术制备了不同胞元结构的多孔钛合金支架,分析其打印质量,测试支架的单轴压缩力学性能及压缩棘轮疲劳性能,研究结果可为多孔钛合金支架植入下颌骨提供理论依据。本文所得结论如下:
(1) 胞元结构影响多孔钛合金支架的3D打印质量。
(2) 3种胞元结构支架静态力学性能最好的是钻石胞元支架,次之为截面立方体胞元支架,最差为立方体胞元支架;但是3种胞元结构支架都满足植入体的静态力学要求。3种胞元结构支架压缩棘轮疲劳性能最好的是截面立方体胞元支架,次之为钻石胞元支架,最差为立方体胞元支架。胞元结构影响支架的静态力学性能和动态力学性能。
(3) 棘轮应变随平均应力、应力幅值和峰值保持时间的增加而增加,随加载速率的增加而减小。
作者贡献声明： 孙梦超负责实验操作和论文撰写;刘婕、高丽兰负责实验设计和论文指导;罗洋、谭沿松、李瑞欣、张春秋负责论文修改。
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高丽兰 1,3 
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