SLM成形不同孔隙結(jié)構(gòu)骨支架的仿真與實(shí)驗(yàn)研究

孫海波，徐淑波，張森，李陽(yáng)，任國(guó)成，景財(cái)年

應(yīng)用技術(shù)

SLM成形不同孔隙結(jié)構(gòu)骨支架的仿真與實(shí)驗(yàn)研究

孫海波，徐淑波，張森，李陽(yáng)，任國(guó)成，景財(cái)年

（山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

確定多孔骨骼支架的最佳結(jié)構(gòu)及孔隙率。建立不同孔隙率、不同結(jié)構(gòu)的18個(gè)多孔支架模型，通過(guò)有限元對(duì)多孔支架分別進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變模擬分析，通過(guò)選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)制備A，B，C這3種不同結(jié)構(gòu)、孔隙率范圍相近（65%～90%）、支架直徑相同（300 μm）的多孔316L支架。通過(guò)壓縮試驗(yàn)、微觀組織分析、X射線衍射試驗(yàn)（XRD）對(duì)不同多孔支架進(jìn)行表面微觀組織分析及力學(xué)性能研究。通過(guò)有限元模擬獲得適用于人體皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨的不同多孔支架結(jié)構(gòu)及孔隙率。A類結(jié)構(gòu)孔隙率為90%的多孔骨骼支架彈性模量為7.5 GPa，抗壓強(qiáng)度為11.62 MPa，與人體松質(zhì)骨相吻合；B類結(jié)構(gòu)孔隙率為80%的多孔骨骼支架彈性模量為18.9 GPa，抗壓強(qiáng)度為127.01 MPa，與皮質(zhì)骨相吻合。通過(guò)模擬及試驗(yàn)，確定了適用于不同骨骼部位的最佳結(jié)構(gòu)及孔隙率，并且多孔結(jié)構(gòu)有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及血液的運(yùn)輸，保證了骨骼替代物的生物力學(xué)性能，有助于患者的康復(fù)。

選擇性激光熔化；多孔支架；有限元模擬；孔隙率

骨組織缺損已經(jīng)成為危害人類身體健康、降低人們生活質(zhì)量的主要問(wèn)題，骨骼替代物的研究對(duì)于骨組織缺損患者十分重要，理想的骨骼替代物應(yīng)符合人體骨骼的相關(guān)力學(xué)性能，擁有良好生物相容性及孔隙率，以保證血液及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送，加快患者的康復(fù)過(guò)程，并且骨骼代替物應(yīng)與骨缺損部位形狀一致，保證替代的成功率，因此，骨骼支架在骨組織缺損治療中起著至關(guān)重要的作用[1]，而傳統(tǒng)加工方式存在支架加工精度不足、成形困難的問(wèn)題。

隨著增材制造（Additive manufacturing，AM）技術(shù)的發(fā)展，3D打印多孔支架（Porous scaffold）成為治療骨組織缺損的新技術(shù)，其個(gè)性化制造的特點(diǎn)解決了傳統(tǒng)制造方法由于骨缺損形狀不同而導(dǎo)致成形困難的問(wèn)題[2]。通過(guò)增材制造技術(shù)制備多孔骨骼支架，能夠有效控制支架的尺寸、孔徑、孔隙率及結(jié)構(gòu)特征，能夠更好地保證血液、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及代謝廢物在骨骼支架間的運(yùn)輸，并且通過(guò)增材制造技術(shù)可以根據(jù)患者的不同情況進(jìn)行精準(zhǔn)的個(gè)性化制備，保證替代手術(shù)的成功率。

多孔結(jié)構(gòu)具有輕量化、緩沖吸震等特性[3]，多孔骨骼支架有利于血液、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸以及代謝廢物的排出，同時(shí)有利于骨細(xì)胞在支架上的附著并向內(nèi)生長(zhǎng)以及組織液的滲透，使植入物最終能夠與生物體成功融合，加速患者的康復(fù)過(guò)程[4-5]。適用于人體骨組織缺損骨骼支架的最佳結(jié)構(gòu)以及孔隙率并沒(méi)有定論，文中詳細(xì)論述了選擇性激光熔化成形多孔骨骼支架的制備工藝，并對(duì)不同孔隙率、不同結(jié)構(gòu)的多孔骨骼支架進(jìn)行了微觀組織分析及力學(xué)性能研究[6]。

1 多孔骨骼支架的制備

考慮到不同多孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)了A，B，C這3種單元結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中A為體心立方體結(jié)構(gòu)，單元桿截面為圓形，直徑為300 μm，B為面心立方體結(jié)構(gòu)，單元桿截面為圓形，直徑為300 μm，C為垂直立體結(jié)構(gòu)，3根單元桿相互垂直，連接處有一直徑為400 μm的球以避免應(yīng)力集中，單元桿截面為圓形，直徑為300 μm。采用NX（Siemens NX）建模軟件繪制模型，將單元結(jié)構(gòu)分別沿，，這3個(gè)方向陣列得到三維多孔支架，利用選擇性激光熔化成形（Selective laser melting，SLM）制備多孔支架。

圖1 單元結(jié)構(gòu)詳情

采用316L不銹鋼（Stainless steel，SS）球狀粉末材料，其微觀組織形貌見(jiàn)圖2，可以看出粉末平均直徑為40 μm左右，具體成分見(jiàn)表1。316L不銹鋼是國(guó)際醫(yī)療產(chǎn)業(yè)目前最常用的金屬材料之一[7]，其耐腐蝕性強(qiáng)、力學(xué)性能優(yōu)良、價(jià)格低廉、加工性好等特點(diǎn)令其成為骨骼替換物的最佳材料之一[8]。選擇性激光熔化成形制備多孔支架的具體參數(shù)為：激光功率為150 W，鋪粉層厚為50 μm，掃面速度為500 mm/s，掃描間距為60 μm，采用-層間交錯(cuò)加輪廓掃描方案，在氬氣保護(hù)下制備。將孔隙率為80%，85%，90%的A類結(jié)構(gòu)以及孔隙率為75%和80%的B類結(jié)構(gòu)的多孔支架進(jìn)行選擇性激光熔化成形，由于其他結(jié)構(gòu)、孔隙率的多孔支架的力學(xué)性能與人體骨骼的力學(xué)性能不匹配，故不進(jìn)行制備。多孔支架制備完成后利用線切割設(shè)備令其與打印基板分離，圖3為選擇性激光熔化成形制備的316L不銹鋼多孔骨骼支架實(shí)體。

圖2 球狀316L不銹鋼粉末掃描電鏡

室溫下，316L不銹鋼為奧氏體組織，文中采用選擇性激光熔化技術(shù)對(duì)多孔支架進(jìn)行制備，選擇性激光熔化技術(shù)為增材制造，逐層疊加的制造方式使其在加工時(shí)組織生長(zhǎng)方向與傳統(tǒng)加工方式不同，利用X射線衍射（XRD）對(duì)多孔骨骼支架堆疊面進(jìn)行物相分析，圖4為X射線衍射圖譜，可以看出，選擇性激光熔化成形的多孔骨骼支架組織仍為奧氏體組織，晶粒取向擇優(yōu)選擇（111）方向。圖5為試樣建造面的金相組織，可以看出在選擇性激光熔化成形過(guò)程中激光往復(fù)掃描，導(dǎo)致成形面上的各晶粒呈帶狀有規(guī)則排列，并且晶粒形態(tài)呈現(xiàn)多邊形或近圓形，并且晶粒外延生長(zhǎng)與激光熔化成形方向基本一致。

表1 球狀316L不銹鋼022Cr17Ni12Mo2化學(xué)成分（體積分?jǐn)?shù)）

Tab.1 022Cr17Ni12Mo2 composition in spherical 316L stainless steel (volume fraction) %

圖3 選擇性激光熔化成形制備的316L不銹鋼多孔骨骼支架實(shí)體

圖4 X-射線衍射圖譜

圖5 微觀組織

2 有限元分析

前期文獻(xiàn)研究表明，骨骼替代物的理想孔隙率為65%～90%，實(shí)體截面直徑理想尺寸為300～500 μm[9-11]，這樣的骨骼替代物能夠保證骨細(xì)胞附著及血管生長(zhǎng)，能夠保證營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸，有助于缺損骨組織的恢復(fù)。文中單元結(jié)構(gòu)桿的直徑均設(shè)置為300 μm，將孔隙率從65%～90%每5%設(shè)置一個(gè)梯度，共設(shè)置6個(gè)孔隙梯度，316L多孔支架保留了其耐腐蝕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，并且有良好的生物力學(xué)性能，是最適合骨骼替代物的材料之一[12-14]。

建立不同孔隙率的多孔支架模型，采用Ansys軟件將不同孔隙率、不同結(jié)構(gòu)的多孔支架進(jìn)行有限元模擬，為方便模擬，模型兩端分別加層厚為200 μm剛性板，剛性板四周與模型平齊，試驗(yàn)中平臺(tái)及剛性板變形較支架結(jié)構(gòu)變形可忽略不計(jì)。將材料設(shè)置為316L不銹鋼，彈性模量為195 GPa，泊松比為0.3，密度為7.98 g/cm3，約束下剛性面自由度，在上剛性面加載2000 N載荷，進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變分析，比較、優(yōu)化獲得最佳的多孔支架。表2為各支架模型的彈性模量平均值。

表2 各支架彈性模量平均值

Tab.2 Average elastic modulus of each scaffold GPa

人體皮質(zhì)骨彈性模量介于17～20 GPa，松質(zhì)骨彈性模量介于3.2～7.8 GPa[15]，骨骼支架的設(shè)計(jì)在考慮強(qiáng)度的同時(shí)也應(yīng)兼顧支架的力學(xué)性能，骨骼支架植入體中應(yīng)與植入位置周圍自然骨的力學(xué)性能相吻合，若彈性模量高于自然骨彈性模量，則易出現(xiàn)應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象，使骨骼支架周圍出現(xiàn)骨質(zhì)疏松的現(xiàn)象。根據(jù)模擬結(jié)果得到，A類結(jié)構(gòu)孔隙率為80%和85%的多孔支架的彈性模量分別為17.74 GPa和18.15 GPa，B類結(jié)構(gòu)孔隙率為80%的多孔支架彈性模量為18.87 GPa，與人體皮質(zhì)骨彈性模量相吻合；A類結(jié)構(gòu)孔隙率為90%的多孔支架彈性模量為7.74 GPa，與人體松質(zhì)骨彈性模量范圍吻合。圖6為A，B，C這3類結(jié)構(gòu)多孔支架的變形及應(yīng)力分布云圖，由圖6a—c可以看出，多孔支架均在上部，變形量較大，且總變形量大于人體骨骼變形量的極限。由圖6d—f可以看出，多孔支架的應(yīng)力在支架上端及下端較大，中間部分應(yīng)力較小；C類結(jié)構(gòu)橫向單元桿應(yīng)力極小，應(yīng)力主要集中在豎向單元桿，應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，因此適合于人體植入。圖7為多孔支架應(yīng)力、變形內(nèi)部，其中圖7a和b為A和B這2種不同結(jié)構(gòu)多孔支架應(yīng)力的內(nèi)部細(xì)節(jié)，圖7c和d為A和B這2種不同結(jié)構(gòu)多孔支架變形內(nèi)部細(xì)節(jié)，可以看出由于多孔支架是由單元結(jié)構(gòu)陣列而來(lái)，在單元桿的連接處會(huì)有一定缺陷而導(dǎo)致應(yīng)力集中，因此，對(duì)單元桿連接點(diǎn)進(jìn)行填充，使2個(gè)單元桿完全接觸，可以一定程度上減小應(yīng)力，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。

圖6 多孔支架變形、應(yīng)力云圖

圖7 多孔支架應(yīng)力、變形內(nèi)部

3 結(jié)果與分析

3.1 壓縮試驗(yàn)分析

對(duì)已制備的多孔骨骼支架進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，設(shè)置下壓速度為0.5 mm/min，圖8為應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出，各多孔骨骼支架壓縮過(guò)程的變化趨勢(shì)基本一致，都經(jīng)歷3個(gè)階段：① 從壓縮試驗(yàn)開(kāi)始到第1個(gè)拐點(diǎn)處，多孔骨骼支架內(nèi)部單元桿發(fā)生彈性變形，應(yīng)變范圍均小于0.1；② 后續(xù)為平臺(tái)應(yīng)力階段，多孔骨骼支架局部桿件應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度開(kāi)始發(fā)生塑性變形，由于多孔骨骼支架內(nèi)部有復(fù)雜孔洞，發(fā)生塑性變形的單元桿之間不會(huì)立刻接觸，因此，應(yīng)變量持續(xù)增加時(shí)，應(yīng)力大小相對(duì)穩(wěn)定；③ 當(dāng)應(yīng)變量增加到一定程度后，多孔骨骼支架內(nèi)部單元桿開(kāi)始接觸并逐漸壓實(shí)，導(dǎo)致在不大的應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)力迅速增加，吸能作用大大下降。

在壓縮試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線光滑，上升、下降過(guò)渡通順，證明了材料具有良好的延展性，并且多孔骨骼支架減震吸能效果良好。由圖8可以看出，B結(jié)構(gòu)較A結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)彈性階段斜率更大，表明在相同應(yīng)變范圍內(nèi)，B結(jié)構(gòu)能夠承受更大的力，抗壓強(qiáng)度大，力學(xué)性能更加優(yōu)異。

圖8 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2 多孔骨骼支架力學(xué)性能分析

多孔骨骼支架是由單元桿連接而成的網(wǎng)狀體，其形狀各不相同，并且內(nèi)部存在復(fù)雜孔洞。關(guān)于多孔結(jié)構(gòu)的彈性模量，學(xué)者Gibson與Ashby經(jīng)過(guò)研究確立了多孔支架密度與彈性模量支架的冪函數(shù)特征關(guān)系，并創(chuàng)立了Gibson-Ashby模型[16]，即：

式中：*為多孔骨骼支架的彈性模量；s為其固體的彈性模量，大小為210 GPa；*為多孔骨骼支架的密度；s為其固體的密度，測(cè)得為7.98 g/cm3；和為幾何常數(shù)，開(kāi)孔結(jié)構(gòu)中=1，=2。為獲得多孔骨骼支架的實(shí)際彈性模量，對(duì)制備的多孔骨骼支架密度分別進(jìn)行測(cè)算，并帶入式（1）中算得多孔骨骼支架的實(shí)際彈性模量，見(jiàn)表3。

通過(guò)表3可以看出，A和B不同結(jié)構(gòu)多孔骨骼支架的抗壓強(qiáng)度差距較大，人體皮質(zhì)骨抗壓強(qiáng)度為102.9～140.7 MPa，松質(zhì)骨抗壓強(qiáng)度為3.2～7.8 MPa，而制備的A結(jié)構(gòu)孔隙率為85%的多孔骨骼支架雖然在彈性模量上與皮質(zhì)骨彈性模量吻合，但抗壓強(qiáng)度相差較大，不能滿足人體正常活動(dòng)的力學(xué)性能，因此不適用于皮質(zhì)骨植入物；B結(jié)構(gòu)孔隙率為80%的多孔骨骼支架在彈性模量、抗壓強(qiáng)度方面均符合皮質(zhì)骨力學(xué)性能要求，因此適用于人體皮質(zhì)骨植入物。A結(jié)構(gòu)孔隙率90%的多孔骨骼支架彈性模量與松質(zhì)骨彈性模量相吻合，并且抗壓強(qiáng)度略大于松質(zhì)骨抗壓強(qiáng)度，因此適用于松質(zhì)骨植入物。

表3 多孔骨骼支架實(shí)際密度及彈性模量

Tab.3 Actual density and elastic modulus of porous bone scaffold

4 結(jié)論

1）選擇性激光熔化成形的多孔骨骼支架組織仍為奧氏體組織，成形面上的各晶粒呈帶狀有規(guī)則排列且分布均勻，晶粒形態(tài)呈現(xiàn)多邊形或近圓形，晶粒外延生長(zhǎng)與激光熔化成形方向基本一致，采用選擇性激光熔化技術(shù)制備的316L多孔骨骼支架生物力學(xué)性能符合人體骨骼植入需求，并且具有更好的力學(xué)性能。

2）通過(guò)有限元模擬分析得到了孔隙率合理的多孔骨骼支架，經(jīng)優(yōu)化后孔隙率為90%的多孔骨骼支架A結(jié)構(gòu)的彈性模量與人體松質(zhì)骨彈性模量吻合，A結(jié)構(gòu)孔隙率為85%和80%、B結(jié)構(gòu)孔隙率為80%和75%的多孔骨骼支架彈性模量與人體皮質(zhì)骨彈性模量相符合，C結(jié)構(gòu)多孔骨骼支架由于結(jié)構(gòu)問(wèn)題不適用于人體骨骼植入，為后續(xù)試驗(yàn)研究提供了理論指導(dǎo)。

3）通過(guò)試驗(yàn)探究，得到孔隙率為90%的多孔骨骼支架A結(jié)構(gòu)的彈性模量與抗壓強(qiáng)度均符合松質(zhì)骨力學(xué)性能要求，適用于人體松質(zhì)骨植入物，而孔隙率為80%的多孔骨骼支架B結(jié)構(gòu)的彈性模量與抗壓強(qiáng)度均符合皮質(zhì)骨力學(xué)性能要求，適用于人體皮質(zhì)骨植入物，明確了適用于不同骨骼位置替代的支架單元結(jié)構(gòu)及孔隙率。

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Simulation and Experimental Study of Bone Scaffolds with Different Pore Structures Formed by SLM

SUN Hai-bo, XU Shu-bo, ZHANG Sen, LI Yang, REN Guo-cheng, JING Cai-nian

(School of Materials Science and Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

The work aims to determine the optimal structure and porosity of the porous bone scaffold.18 porous scaffold models with different porosities and structures were established and the stress and strain of porous scaffolds were simulated and analyzed by finite element method. 316L porous scaffolds with the different structures of A, B and C, the similar porosities (65% ～ 90%) and the same scaffold diameter (300 μm)were prepared by selective laser melting (SLM). The surface microstructure and mechanical properties of different porous scaffolds were studied by compression test, microstructure analysis and X-ray diffraction (XRD). The structure and porosity of different porous scaffolds for human cortical and cancellous bone were obtained by finite element simulation. The elastic modulus and compressive strength of the porous bone scaffold with structure A and porosity of 90% were 7.5 GPa and 11.62 MPa, which were consistent with human cancellous bone, and the elastic modulus and compressive strength of the porous bone scaffold with structure B and porosity of 80% were 18.9 GPa and 127.01 MPa, which were consistent with cortical bone.Through simulation and experiment, the optimal structure and porosity suitable for different bone parts have been determined, and the porous structure is conducive to the transport of nutrients and blood, ensuring the biomechanical properties of bone substitutes, which is conducive to the recovery of patients.

selective laser melting; porous scaffold; finite element simulation; porosity

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.02.019

TB303

A

1674-6457(2022)02-0123-06

2021-07-02

山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017GGX30128）

孫海波（1997—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)樵霾闹圃臁?/p>

徐淑波（1977—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)樵霾闹圃臁?/p>