径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架结构设计与力学性能分析

doi:10.12307/2024.253

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (5): 741-746.doi: 10.12307/2024.253

• 材料力学及表面改性 material mechanics and surface modification • 上一篇下一篇

径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架结构设计与力学性能分析

张艺海1，商鹏1，马奔原1，侯光辉1，崔伦旭1，宋万振1，齐德瑄1，刘艳成2

1河北工业大学机械工程学院，天津市 300401；2天津大学天津医院(暨天津市天津医院)，天津市 300211

收稿日期:2022-12-26 接受日期:2023-03-06 出版日期:2024-02-18 发布日期:2023-08-16
通讯作者: 商鹏，博士，副教授，硕士生导师，河北工业大学机械工程学院，天津市 300401 刘艳成，博士，副主任医师，天津大学天津医院(暨天津市天津医院)，天津市 300211
作者简介:张艺海，男，1989年生，天津市人，汉族，河北工业大学在读硕士，主要从事骨小梁支架设计及性能研究。商鹏，女，1980年生，天津市人，汉族，博士，副教授，主要从事骨植入物、精密加工研究。
基金资助:
河北省自然科学基金面上项目(E2022202164)，项目负责人：商鹏；河北省教育厅重点研究项目(ZD2020124)，项目负责人：商鹏；吴阶平医学基金会项目(320.6750.2022-18-49)，项目负责人：刘艳成；北京医卫健康公益基金会项目(B20371FN)，项目负责人：刘艳成

Structural design and mechanical property analysis of trabecular scaffold of triply periodic minimal surface with a radial gradient

Zhang Yihai1, Shang Peng1, Ma Benyuan1, Hou Guanghui1, Cui Lunxu1, Song Wanzhen1, Qi Dexuan1, Liu Yancheng2

1School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China; 2Tianjin Hospital, Tianjin University, Tianjin 300211, China

Received:2022-12-26 Accepted:2023-03-06 Online:2024-02-18 Published:2023-08-16
Contact: Shang Peng, MD, Associate professor, Master’s supervisor, School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China Liu Yancheng, MD, Associate chief physician, Tianjin Hospital, Tianjin University, Tianjin 300211, China
About author:Zhang Yihai, Master candidate, School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China Shang Peng, MD, Associate professor, School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China
Supported by:
General Program of Hebei Natural Science Foundation, No. E2022202164 (to SP); Key Research Project of Hebei Provincial Department of Education, No. ZD2020124 (to SP); Wu Jieping Medical Foundation Project, No. 320.6750.2022-18-49 (to LYC); Beijing Medical and Health Public Welfare Foundation Project, No. B20371FN (to LYC)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

径向梯度：孔径由圆柱外缘向中心逐渐减小，外缘较大孔径有利于降低植入物弹性模量，减小应力遮挡效应，中心较小孔径使结构具有较高强度，可以防止植入物的断裂失效。
三周期极小曲面：在3个独立方向上周期性变化的极小曲面，晶胞结构之间互连互通，其内部光滑连续，平均曲率为零，与人体骨小梁结构有相似之处，是一种理想的骨支架多孔结构。

背景：传统骨植入物的弹性模量较大，与人体骨弹性模量不匹配，会引起应力遮挡效应，从而导致骨吸收。径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架具有与人体松质骨匹配的弹性模量，且屈服强度大于人体皮质骨屈服强度，为骨支架设计提供了一种新的选择。

目的：通过隐式曲面法构建径向梯度三周期极小曲面结构，采用激光选区熔化技术制备样件，进行准静态压缩实验，得到力学性能与人体骨骼匹配的骨小梁支架。
方法：通过隐式曲面法，建立G型、Ⅰ型、P型和D型4种径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架；采用激光选区熔化技术制备样件，观测成型样件的表面形貌，评估成型质量，进行准静态压缩实验，评估样件的力学性能。

结果与结论：准静态压缩实验结果表明，对比4种径向梯度三周期极小曲面支架，G支架平台应力波动小，没有出现失效断裂，塑性最好；对45%，55%和65% 3种孔隙率G支架的力学性能进行分析，发现55%孔隙率G支架的弹性模量在人体松质骨的弹性模量范围内(0.022-3.7 GPa)，屈服强度接近人体皮质骨最大屈服强度(187.7-222.3 MPa)。结果显示，55%孔隙率的G型径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架能够降低应力遮挡效应，承受较高人体载荷，提高植入物的稳定性，延长植入物的使用寿命。

https://orcid.org/0000-0001-7760-7079(张艺海)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

关键词: 激光选区熔化, 三周期极小曲面, 径向梯度, 骨小梁支架, 力学性能

Abstract: BACKGROUND: The elastic modulus of traditional bone implants is large and does not match the elastic modulus of human bone, which will cause a stress shielding effect and lead to bone resorption. The trabecular scaffold of the triply periodic minimal surface with radial gradient has elastic modulus matching with human cancellous bone, and its yield strength is greater than that of human cortical bone, which provides a new choice for the design of bone scaffold.
OBJECTIVE: Triply periodic minimal surface structure with radial gradient was constructed by the implicit surface method. The sample was manufactured by laser selective melting technology, and the quasi-static compression test was carried out to obtain trabecular scaffolds with mechanical properties matching human bones.
METHODS: Four types of the trabecular scaffolds of the triply periodic minimal surface with a radial gradient of G, I, P and D were established by the implicit surface method. Samples were manufactured by laser selective melting technology. We observed the surface morphology of the molded sample, evaluated the molding quality, conducted a quasi-static compression test, and evaluated the mechanical properties of the samples.
RESULTS AND CONCLUSION: The quasi-static compression test results showed that compared with the four triply periodic minimal surface scaffolds, the platform stress of the G scaffold had less fluctuation and no failure or fracture, indicating that the G scaffold had the best plasticity. The mechanical properties of the G scaffolds with 45%, 55% and 65% porosities were analyzed. It was found that the elastic modulus of G scaffolds with 55% porosity was within the range of elastic modulus of human cancellous bone (0.022-3.7 GPa), and the yield strength was close to the maximum yield strength of human cortical bone (187.7-222.3 MPa). In conclusion, G triply periodic minimal surface scaffold with 55% porosity can reduce the stress shielding effect, bear a higher body load, improve the stability of the implant, and prolong the service life of the implant.

Key words: laser selective melting, triply periodic minimal surface, radial gradient, trabecular scaffold, mechanical property

中图分类号:

张艺海, 商鹏, 马奔原, 侯光辉, 崔伦旭, 宋万振, 齐德瑄, 刘艳成. 径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架结构设计与力学性能分析[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(5): 741-746.

Zhang Yihai, Shang Peng, Ma Benyuan, Hou Guanghui, Cui Lunxu, Song Wanzhen, Qi Dexuan, Liu Yancheng. Structural design and mechanical property analysis of trabecular scaffold of triply periodic minimal surface with a radial gradient[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(5): 741-746.

图/表（结果） 6

2.1 样件成型效果设计零件和打印样件之间总是存在差异，因此，需要对打印成型的样件进行观测评价。样件的孔径被定义为其内部可以容纳的最大球体的直径，测量样件的厚度值t，如图4所示，通过公式(1)可以计算样件的孔径[19]。

dpore=aL-t (1)
式中：dpore为样件的孔径；a为单元尺寸参数；L为设计模型的单元尺寸；t为样件的壁厚尺寸。
G45、G55、G65分别代表孔隙率为45%，55%，65%的G型支架，Ⅰ型支架、P型支架、D型支架表示方法与G型支架相同。表3是计算得到的4种模型最外层和中心孔径尺寸，G型支架的孔径梯度变化最大，较大的最外层孔径有利于营养物质的运输和成骨细胞的长入，而较小的中心孔径可以诱导成骨细胞更好的向内生长，使植入物更加稳定。P45和P55中心部位已变为实心，所以孔径为0。用电子天平测量每个样件的质量，用公式(2)计算实际孔隙率。

P=(1-mP/ms)×100% (2)
式中：P为样件的孔隙率；mp为样件的质量；ms为实体Ti6Al4V圆柱的质量。
由于3D打印逐层制造的特点，样件没有完全光滑的表面，用扫描电镜观察到三周期极小曲面支架的表面相对光滑和完整，图5显示了壁面和孔的放大图。在样件成型过程中，在壁面和孔的表面，有光滑的部分，也有少量粉末没有达到完全熔化状态，黏结在样件表面[20-21]，这种样貌特点都是由激光选区熔化制造工艺决定的。

2.2 样件的弹性模量和屈服强度利用万能试验机生成力-位移曲线，然后处理数据生成应力-应变曲线，如图6所示。三周期极小曲面支架的弹性模量定义为线弹性阶段的斜率，因为曲线没有明显的屈服行为，所以屈服强度被定义为弹性斜率的0.2%应变偏移值的应力。从图6中可以看出，不同的支架表现出不同的材料变形行为，有4个阶段，包括弹性变形阶段、塑性屈服平台阶段、失效断裂阶段或致密化阶段。支架首先进入弹性变形阶段，然后经过屈服平台阶段，在此阶段，有部分支架发生断裂，没有断裂的支架进入致密化阶段。

由图6可知，G型支架的变形从弹性变形阶段开始，然后达到长塑性屈服平台阶段，在此阶段应力波动较小，最后到达致密化阶段，没有出现失效断裂。Ⅰ型支架、P型支架和D型支架的不同孔隙率样件有着不同的材料变形行为，在45%孔隙率时，Ⅰ型支架和D型支架在屈服平台的初始阶段发生断裂，P支架在经过一定屈服平台阶段后也发生断裂；在55%孔隙率时，Ⅰ型支架和P型支架在屈服平台阶段应力出现一定波动，P型支架的应力波动幅度较大，D型支架在屈服平台初始阶段发生断裂；在65%孔隙率时，另3种支架的材料变形行为与G型支架相似，没有出现失效断裂，但与G型支架相比，它们的屈服平台阶段应力波动幅度较大。因此，G型支架是4种支架中塑性最好的支架，可用作骨植入物。
表4总结了此次实验中的4种支架、文献中的Gyroid支架[13]、松质骨和皮质骨的弹性模量和压缩屈服强度[22]。

通过表4可以看出，成型试件的孔隙率比设计孔隙率有所下降，这种微小的偏差是由于支架表面上的粉末结块造成的，无法通过简单的机械方法去除。G型支架在3种孔隙率下的力学性能有较大差异，由图7可知，G型支架的弹性模量和屈服强度随孔隙率的升高而降低。由图7A可知，当孔隙率在55%和65%时，G型支架的弹性模量在人体松质骨的弹性模量的范围中(0.022-3.7 GPa)。由图7B可知，在45%和55%孔隙率时，G型支架屈服强度在皮质骨屈服强度之内(187.7-222.3 MPa)或者大于皮质骨的屈服强度。因此，结合弹性模量和屈服强度，55%孔隙率的G型支架具有匹配松质骨的弹性模量，能有效降低应力屏蔽效应，并且具有较高屈服强度，可以承受较高载荷而不发生断裂，满足骨植入物的力学性能要求。

参考文献

[1] MIRKHALAF M, DAO A, SCHINDELER A, et al. Personalized Baghdadite scaffolds: stereolithography, mechanics and in vivo testing. Acta Biomater. 2021;132:217-226.
[2] HU S, YANG X, WU H, et al. Lotus sprout-templated porous cobalt-doped borate bioglass with antibacterial properties and multiple-layered osteogenic promotion. Appl Mater Today. 2022;29:101678.
[3] MA Z, XIE J, SHAN XZ, et al. High solid content 45S5 Bioglass®-based scaffolds using stereolithographic ceramic manufacturing: process, structural and mechanical properties. J Mech Sci Technol. 2021;35(2): 823-832.
[4] CHEN Z, CHEN Y, DING J, et al. Blending strategy to modify PEEK-based orthopedic implants. Compos Part B. 2023;250:110427.
[5] MIRKHALAF M, ZREIQAT H. Fabrication and Mechanics of Bioinspired Materials with Dense Architectures: Current Status and Future Perspectives. JOM. 2020;72(4):1458-1476.
[6] SZYMCZYK-ZIÓŁKOWSKA P, ŁABOWSKA MB, DETYNA J, et al. A review of fabrication polymer scaffolds for biomedical applications using additive manufacturing techniques. Biocybern Biomed Eng. 2020;40(2): 624-638.
[7] NI J, LING H, ZHANG S, et al. Three-dimensional printing of metals for biomedical applications. Mater Today Bio. 2019;3:100024.
[8] LV Y, WANG B, LIU G, et al. Design of bone-like continuous gradient porous scaffold based on triply periodic minimal surfaces. J Mater Res Technol. 2022;21:3650-3665.
[9] MIRKHALAF M, MEN Y, WANG R, et al. Personalized 3D printed bone scaffolds: A review. Acta Biomater. 2023;156:110-124.
[10] MIRKHALAF M, WANG X, ENTEZARI A, et al. Redefining architectural effects in 3D printed scaffolds through rational design for optimal bone tissue regeneration. Appl Mater Today. 2021;25:101168.
[11] ARMIENTO AR, HATT LP, SANCHEZ ROSENBERG G, et al. Functional Biomaterials for Bone Regeneration: A Lesson in Complex Biology. Adv Funct Mater. 2020;30(44):1909874.
[12] ARAMIAN A, RAZAVI SMJ, SADEGHIAN Z, et al. A review of additive manufacturing of cermets. Addit Manuf. 2020;33:101130.
[13] ZHANG J, CHEN X, SUN Y, et al. Design of a biomimetic graded TPMS scaffold with quantitatively adjustable pore size. Mater Des. 2022;218: 110665.
[14] VIET NV, WAHEED W, ALAZZAM A, et al. Effective compressive behavior of functionally graded TPMS titanium implants with ingrown cortical or trabecular bone. Compos Struct. 2023;303:116288.
[15] LI Z, CHEN Z, CHEN X, et al. Effect of unit configurations and parameters on the properties of Ti–6Al–4V unit-stacked scaffolds: A trade-off between mechanical and permeable performance. J Mech Behav Biomed Mater. 2021;116:104332.
[16] YU A, ZHANG C, XU W, et al. Additive manufacturing of multi-morphology graded titanium scaffolds for bone implant applications. J Mater Sci Technol. 2023;139:47-58.
[17] MASKERY I, AREMU AO, PARRY L, et al. Effective design and simulation of surface-based lattice structures featuring volume fraction and cell type grading. Mater Des. 2018;155:220-232.
[18] AL-KETAN O, ABU AL-RUB RK. MSLattice: A free software for generating uniform and graded lattices based on triply periodic minimal surfaces. Mater Des Process Commun. 2021;3(6):e205.
[19] POLTUE T, KARUNA C, KHRUEADUANGKHAM S, et al. Design exploration of 3D-printed triply periodic minimal surface scaffolds for bone implants. Int J Mech Sci. 2021;211:106762.
[20] WANG P, LI X, JIANG Y, et al. Electron beam melted heterogeneously porous microlattices for metallic bone applications: Design and investigations of boundary and edge effects. Addit Manuf. 2020;36: 101566.
[21] LI X, XIAO L, SONG W. Compressive behavior of selective laser melting printed Gyroid structures under dynamic loading. Addit Manuf. 2021; 46:102054.
[22] WANG X, XU S, ZHOU S, et al. Topological design and additive manufacturing of porous metals for bone scaffolds and orthopaedic implants: A review. Biomaterials. 2016;83:127-141.
[23] 刘佳辛,贾鹏,门玉涛,等.基于三周期极小曲面骨小梁结构的设计及优化[J].中国组织工程研究,2023,27(7): 992-997.
[24] BIEMOND JE, AQUARIUS R, VERDONSCHOT N, et al. Frictional and bone ingrowth properties of engineered surface topographies produced by electron beam technology. Arch Orthop Trauma Surg. 2011;131(5): 711-718.
[25] AMBU R, MORABITO AE. Modeling, Assessment, and Design of Porous Cells Based on Schwartz Primitive Surface for Bone Scaffolds. Sci World J. 2019;2019:1-16.
[26] MYAKININ A, TURLYBEKULY A, POGREBNJAK A, et al. In vitro evaluation of electrochemically bioactivated Ti6Al4V 3D porous scaffolds. Mater Sci Eng C. 2021;121:111870.
[27] MURCHIO S, DALLAGO M, ZANINI F, et al. Additively manufactured Ti–6Al–4V thin struts via laser powder bed fusion: Effect of building orientation on geometrical accuracy and mechanical properties. J Mech Behav Biomed Mater. 2021;119:104495.
[28] BARBA D, ALABORT C, TANG YT, et al. On the size and orientation effect in additive manufactured Ti-6Al-4V. Mater Des. 2020;186:108235.
[29] NOOEAID P, SALIH V, BEIER JP, et al. Osteochondral tissue engineering: scaffolds, stem cells and applications. J Cell Mol Med. 2012;16(10): 2247-2270.
[30] 曾寿金,刘广,李传生,等.基于SLM的股骨柄多孔结构设计与力学性能分析[J].中国激光,2022,49(2):174-187.

引言

植入物在骨科领域有着广泛的应用，所用的材料包括生物陶瓷[1]、生物玻璃[2-3]、聚合物[4-6]、金属等[7-8]，这些材料显示出作为骨植入生物材料的巨大潜力，金属材料的3D打印因为具有较好的机械性能而成为首选。3D打印技术提供了对支架外部形状和内部结构的精确控制[9]，可以实现对支架关键特性的严格控制，如孔隙相互连接性、渗透性、孔隙形状和机械强度，精确调控支架的内部结构可以防止出现低连通性的区域，从而促进细胞迁移和营养物质的运输[10]。
三周期极小曲面结构可以通过改变孔的类型和孔隙率来对多孔支架的弹性模量进行调整。对于替换松质骨的植入物，它应该与替换的松质骨弹性模量相匹配，这样植入物周围的成骨细胞可以受到更好的机械刺激，从而促进骨组织的向内生长[11]。激光选区熔化是一种先进的增材制造技术[12]，它可以制造具有复杂孔隙结构的支架，是其他传统制造方法无法比拟的，并且成型件精度较高、力学性能优异。
ZHANG等[13]设计了一种轴向梯度三周期极小曲面支架，厚支柱和薄支柱之间的平滑连接使支架不会出现应力集中现象，通过调整单层Gyroid结构的高度来控制孔径大小和性能。VIET等[14]研究了4种轴向梯度的三周期极小曲面支架，发现三周期极小曲面支架的屈服强度都随着梯度系数绝对值的减小而增大。LI等[15]研究了三周期极小曲面Primitive晶胞单元，发现Primitive的单元尺寸在某一固定数值时，如果晶格的密度增加20%，则它的弹性模量增加3.5倍，这表明适当的参数可以有效改善结构的力学性能。YU等[16]采用激光选区熔化技术制备了由Primitive和Gyroid结构融合的多形态支架，其孔隙率分别为50%，60%和70%(分别表示为PG50、PG60和PG70)，并证明了 PG50具有优异的机械性能、适当的渗透性和良好的细胞相容性，有望用于骨缺损的修复。
功能梯度多孔支架可以使支架拥有更好的力学特性和生物特性，有利于延长支架的使用寿命。目前针对三周期极小曲面结构的优化设计主要集中在轴向梯度设计和晶胞结构的优化设计上，对孔径从外缘向中心逐渐减小的径向梯度设计研究很少。因此，该文设计了4种径向梯度的三周期极小曲面骨小梁支架，外缘厚壁向中心薄壁逐渐过渡，孔径尺寸由外缘向中心逐渐减小，旨在减小应力屏蔽作用的同时为骨细胞的向内生长提供空间；利用激光选区熔化技术制备了3种不同孔隙率的样件，从样件形貌和力学性能两个层面进行分析，为骨植入物的性能评价提供理论依据。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架设计及准静态压缩实验。
1.2 时间及地点实验于2022年7-11月在河北工业大学完成。
1.3 材料 Ti6Al4V粉末、LiM-X150A激光选区熔化机、体积分数75%乙醇、超声波清洗机、WDW-200Y微机控制电子式万能试验机，均由河北工业大学提供。
1.4 实验方法

1.4.1 三周期极小曲面数学模型三周期极小曲面模型可以大致分为2种类型，即基于支柱的晶格结构和基于曲面的晶格结构[17]。该文研究的是基于曲面的晶格结构，研究了4种三周期极小曲面支架，包括Gyroid、IWP、Primitive和Diamond，分别用G、Ⅰ、P、D表示。这些支架的方程如表1所示。支架的单元大小由“L”表示，“C(x，y)”是用于调整三周期极小曲面在x、y平面几何形状的函数。通过求解表1中的方程，可以获得周期性节点表面。使用MSLattice软件可以方便地生成具有目标单元尺寸和孔隙率的三周期极小曲面支架[18]。

1.4.2 梯度函数的设计通过对三周期极小曲面模型的赋予不同的梯度函数C(x，y)，可以得到不同孔隙率的三周期极小曲面模型，表2为径向梯度三周期极小曲面模型在 45%，55%和 65%孔隙率下的梯度函数。支架的晶胞尺寸L=2 mm，直径为D=10 mm，高度为H=12 mm，其俯视图如图1所示，可以观察到壁厚尺寸从外缘到中心逐渐增大，这使得孔径尺寸从外缘到中心逐渐减小。

1.4.3 样件制备采用激光选区熔化技术在超纯氩气环境中制造样件，选用的机型和金属粉末分别是镭明LiM-X150A 激光选区熔化机和Ti6Al4V粉末(成分：含N 0.01%、C 0.01%、H 0.002%、Fe 0.2%、O 0.09%、Al 6.08%、V 4%、Ti 89.608%)。

首先，将STL文件导入机器，设备铺粉刮刀将一层粉末平刮到基板上，然后扫描系统根据预设的零件模型信息进行选择性激光熔化，然后快速冷凝，该设备重复下一层的铺粉、熔化，通过逐层成型打印样件，成型样件如图2所示。

打印成型后的样件用体积分数75%乙醇在超声波清洗机中清洗15 min，去除样件表面残余粉末颗粒。

1.4.4 样件形貌观测及准静态压缩实验用TESCAN GAIA3双束聚焦离子束扫描电子显微镜对样件表面形貌进行观测，然后用1 000目砂纸对样件的上下圆柱面进行打磨，再用Smart zoom5超景深显微镜对样件的壁厚进行测量。用WDW-200Y微机控制电子式万能试验机进行准静态压缩实验，试验机的最大负载能力为200 kN。设备测试的校准按照ISO 7500-1:2018(E)进行，压缩试验根据 BS ISO 13 314:2011进行。测试在室温下进行，压缩以 1 mm/min 准静态运动进行，支架被压缩至塑性失效，如图3所示。

1.5 主要观察指标不同孔隙率下各组支架的弹性模量与屈服强度。

讨论

3.1 骨小梁支架模型分析传统均匀孔径的三周期极小曲面骨小梁支架无法兼顾低弹性模量和高屈服强度的优点，该文设计了不同孔隙率下径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架，孔径从外缘向中心逐渐减小。外层较大孔径可使植入物拥有较低的弹性模量，通过减小应力遮挡效应有效降低术后骨吸收等并发症[23]，并且较大孔径有利于前期骨组织的快速长入[24]，减小植入物因无菌性松动而导致的失效风险。中心部位的较小孔径为植入物提供更高的强度，有效降低植入物的断裂风险，因此，该文设计的径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架为骨植入物的优化设计提供了一种参考。
3.2 样件形貌及力学性能分析对比4种支架，G型支架最外层孔径和中心孔径相差较大，可以更好地体现梯度孔径的优势，最外层孔径在600-900 µm范围中，有利于营养物质的运输和成骨细胞的长入[25]；Ⅰ型支架和D型支架孔径梯度变化较小，这是因为孔结构不同导致的；P型支架因为其独特的孔径结构，在45%和55%孔隙率时，中心部位已变为实心。由于逐层制造的特点和表面的残余粉末，样件表面并不是完全光滑，但粗糙的表面并不是缺点，表面粗糙度的特定值有助于细胞黏附[13]，使骨组织快速生长，并且支架的壁厚尺寸和力学性能几乎不会受到粗糙表面的影响。制造的三周期极小曲面支架和设计模型之间的孔径略有偏差，但误差范围在5%之内，满足制造精度的要求。
骨植入物应该具有良好的塑性，这可以减小断裂的风险，在G、Ⅰ、P、D型4种支架中，G型支架的塑性性能最好。分析45%，55%和65% 3种孔隙率下G型支架的力学性能，可以发现，55%孔隙率的G型支架的弹性模量在人体松质骨弹性模量的范围中(0.022-3.7 GPa)，屈服强度接近人体皮质骨屈服强度上限(187.7-222.3 MPa)。因此，综合塑性性能、弹性模量和屈服强度，G55支架的断裂风险小，并且可以降低应力遮挡效应，承受较高的人体载荷，是此次实验中最合适的径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架，在强度和刚度允许的范围内，建议使用G55支架作为骨植入物。
对不同孔隙率的径向梯度三周期极小曲面样件进行了样貌分析和准静态压缩实验，但没有对支架的生物相容进行验证，下一步计划对样件进行细胞培养实验[26]，分析不同径向梯度三周期极小曲面支架的细胞生长情况，找到适合细胞生长的径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架。此外，虽然Ti6Al4V有恒定的力学特性，但有文献表明，大尺寸试样的极限抗拉强度和屈服强度大于小尺寸试样[27-28]，因此，可能需要相应地考虑尺寸效应，以获得更准确的设计模型。
理想的骨生物材料不只是模仿外部形状和成分，还应该与天然骨的内部结构相匹配[29]，传统骨植入物设计更多是模仿骨骼外形，具有较大的弹性模量，与人体骨弹性模量不匹配，会引起应力遮挡效应[30]，从而导致骨吸收等问题。径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架在模仿骨小梁结构的同时，外层较大孔径可以降低骨植入物的弹性模量，使其在人体松质骨的弹性模量范围内，有效降低应力遮挡效应，促进骨长入和骨融合；比较适合中心部位的小孔径可以让植入假体拥有较高强度，减小断裂风险，延长使用寿命。因此，径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架具有良好的骨力学性能，可用于人工关节假体多孔柄的设计，或者脊柱人工椎体的设计等，为骨植入物的优化设计提供了一种新的选择。中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

径向梯度三周期极小曲面骨小梁支架结构设计与力学性能分析

Structural design and mechanical property analysis of trabecular scaffold of triply periodic minimal surface with a radial gradient

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[1]	程进荟, 伍权, 彭敏, 黄昌丽, 田会敏, 李洋. 低能量密度下多孔钛的选区激光熔化制备及性能评价[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(5): 664-668.
[2]	王建春, 杨树青, 苏欣, 王宏远. 不同含量B2O3对生物活性玻璃支架力学性能与生物活性的影响[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(5): 712-716.
[3]	兰伟伟, 于耀东, 黄棣, 陈维毅. Mg-Zn-Ca合金的体外降解行为[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(5): 717-723.
[4]	贺垠皓, 李晓声, 陈宏文, 陈铁柱. 3D打印多孔钽金属治疗发育性髋关节发育不良：现状及应用前景[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1455-1461.
[5]	刘佳辛, 贾鹏, 门玉涛, 刘璐, 王烨明, 叶金铎. 基于三周期极小曲面骨小梁结构的设计及优化[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(7): 992-997.
[6]	邓墨渊, 彭坤. 巨噬细胞及其特异性调控在生物材料纤维化形成中的作用[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(25): 4085-4092.
[7]	陈鉴权, 陈茂水, 吕洲明, 陈荣彬, 余照宇, 刘万鹏, 林新源, 林定坤. 有限元分析皮质骨轨迹螺钉联合椎弓根螺钉固定椎体运动单元的生物力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(22): 3457-3462.
[8]	李京娜, 曾庆丰, 于树印, 秦月, 艾子政, 董谢平. 双相磷酸钙涂覆羟基磷灰石多孔支架的制备及性能[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(16): 2493-2500.
[9]	牛精伟, 张庆涛, 汪娜, 关硕, 王颖. 大鼠跟腱发育力学性能与甲状腺功能相关Thrβ和Thrsp基因的关联[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(11): 1653-1658.
[10]	肖豪, 刘静, 周君. 脉冲电磁场治疗绝经后骨质疏松症的研究进展[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(8): 1266-1271.
[11]	张建国, 陈晨, 胡凤玲, 黄道宇, 宋亮. 三维有限元分析牙种植体孔隙结构设计及生物力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(4): 585-590.
[12]	孟增东, 朱斌 , 张亚楠, 罗丽琳 , 张玉勤 . 不同孔隙率多孔ZnO/羟基磷灰石复合材料的力学性能与生物相容性[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(22): 3498-3504.
[13]	王金斯, 王胜法, 吴柱国, 何晓玲, 王馨钰, 罗小钰, 招轶, 张静莹. 基于三周期极小曲面β-磷酸三钙仿生骨支架设计和生物活性的检测[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(21): 3291-3297.
[14]	冯辰, 周骥平, 许晓东, 姜亚妮, 史宏灿, 赵国琦. 3D打印生物材料微小力学性能自动测量系统的设计[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(21): 3306-3311.
[15]	李耀明, 姜宏, 石永芳. 壳聚糖/聚乳酸/羟基磷灰石/聚乙烯醇复合材料骨支架的制备及表征[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(18): 2888-2893.