《中国组织工程研究》 Chinese Journal of Tissue Engineering Research
3D打印钛合金骨小梁多孔结构的拉伸性能 ·研究原著·
张 兰1，王 翔2，刘 军2，张春秋1，叶金铎1，刘 璐2(1天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，机电工程国家级实验教学示范中心，天津理工大学机械工程学院，天津市 300384；2天津市骨植入物界面功能化与个性研究企业重点实验室，嘉思特华剑医疗
器材(天津)有限公司，天津市 300190)
DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2274 ORCID: 0000-0001-7000-2093(张兰)
文章快速阅读：
文章特色— (1)3D 打印定制多孔钛合金已成为骨科植入物
应用的新兴材料，对3D打印金属多孔结构的 力学性能以及生物学性能的研究是研究骨植 入物的关键； (2)目前国外对3D打印金属骨小梁结构的力学 性能研究主要集中在准静态压缩、剪切、扭 转研究，亦有对泡沫金属拉伸性能的研究， 但较少见拉伸性能的研究；国内主要集中在 带有骨小梁结构髋臼等假体的临床应用和疗 效分析方面，缺少对金属骨小梁结构设计制 造与力学实验方面的研究； (3)综合采用实验和数值模拟方法研究骨小梁的
破坏方式和破坏载荷，比较了实验与数值结 果的差别并分析了产生差别的原因。 文题释义：
3D打印：3D打印技术开创了增材制造的生产方式，即依照3D设计蓝图可将金属粉末等原材料逐层堆积而制成最终产品，擅长构建形状结构复杂的产品与个体化定制，制作特异性假体或植入物，供植入以达到重建等目的，在骨科领域得到了广泛应用。 钛合金骨小梁：是以钛合金粉末为原材料，采用金属3D打印技术通过金属微粒逐层熔融叠加生成的一种类人体骨小梁三维空间网孔结构，其力学性能和生物学性能和人体的松质骨骨小梁极为相似，作为人工植入假体的表面结构，具有非常出色的骨长入效果。
摘要
背景：3D打印钛合金多孔结构以其良好的机械性能和生物相容性已经在骨科植入假体设计与临床应用方面得到了快速发展，与涂层假体相比，钛合金骨小梁结构具有骨长入快和骨长入好的优点。为了保证骨科植入物的安全，目前多采用实验方式确定骨小梁结构的拉伸、剪切疲劳和弯曲疲劳强度。 目的：通过力学实验和有限元数值模拟方法研究骨小梁多孔结构的力学性能。
方法：①3D打印钛合金骨小梁拉伸试件实验：设计并制备3D打印钛合金骨小梁拉伸试件，骨小梁结构的丝径为0.28-0.35 mm、孔径为0.71 mm、孔隙率为73%。检测钛合金骨小梁结构的拉伸强度，分析其失效机制，同时分析不同打印位置对骨小梁拉伸强度的影响。②数值模拟实验：利用有限元方法建立包括骨小梁理论结构的拉伸试件实体模型，模拟骨小梁试件的拉伸破坏过程。
结果与结论：①3D打印钛合金骨小梁拉伸试件的极限载荷分布在39.55-47.11 kN之间，等效极限拉伸应力分布在62.79-74.53 MPa之间，拉伸破坏的结果为网状结构断裂，说明钛合金骨小梁具有较高的拉伸强度；②3D打印钛合金骨小梁拉伸试件实验与数值模拟实验均显示，骨小梁试件受到拉伸破坏时的破坏形式为丝径断裂，不会在骨小梁与钛合金实体的结合面发生断裂；③数值模拟实验中骨小梁试件的拉伸破坏载荷低于3D打印钛合金骨小梁拉伸试件，造成该差异的原因主要为：3D打印骨小梁试件的丝径(280-350 μm之间)大于骨小梁的理论丝径(142 μm)，而孔径(孔隙率75%)小于骨小梁的理论孔径(孔隙率96%)。 关键词：
3D打印；钛合金骨小梁；拉伸实验；有限元；数值模拟；失效机制；丝径；拉伸破坏载荷 中图分类号：R311；R459.9；R318.01 基金资助：
天津市科技支撑重点项目(18YFZCSY00890)，项目负责人：刘璐，项目名称：微创微磨损髋关节假体的研制；天津市科技计划项目生物医学工程科技重大专项(18ZXSGSY00010)，项目负责人：刘军，项目名称：国人单间室膝关节假体系统核心技术的研发；第三批天津市人才发展特殊支持计划-高层次创新创业团队，项目负责人：刘军
3498
张兰，女，1992年生，河北省邢台市人，汉族，天津理工大学在读硕士，主要从事仿生设计理论与制造研究。
通讯作者：刘璐，研究员，天津市骨植入物界面功能化与个性研究企业重点实验室，嘉思特华剑医疗器材(天津)有限公司，天津市 300190
文献标识码:A
投稿日期：2019-09-20 送审日期：2019-09-22 采用日期：2019-11-15 在线日期：
2020-01-14
Zhang Lan, Master candidate, Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control, National Demonstration Center for Experimental Mechanical and Electrical Engineering Education, School of Mechanical Engineering of Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China
Corresponding author: Liu Lu, Researcher, Key Laboratory of Bone Implant Interface Functionalization and Personalization Research Enterprise, Just Huajian Medical Device (Tianjin) Co., Ltd. Tianjin 300190, China
ZHANG L, WANG X, LIU J, ZHANG CQ, YE JD, LIU L. Tensile properties of three-dimensional printed porous titanium alloy trabecular bone.
Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2020;24(22):3498-3503. DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2274
Tensile properties of three-dimensional printed porous titanium alloy trabecular bone
Zhang Lan1, Wang Xiang2, Liu Jun2, Zhang Chunqiu1, Ye Jinduo1, Liu Lu2 (1Tianjin Key Laboratory for Advanced Mechatronic System Design and Intelligent Control, National Demonstration Center for Experimental Mechanical and Electrical Engineering Education, School of Mechanical Engineering of Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China; 2Key Laboratory of Bone Implant Interface Functionalization and Personalization Research Enterprise, Just Huajian Medical Device (Tianjin) Co., Ltd. Tianjin 300190, China)
Abstract
BACKGROUND: The three-dimensional printed titanium alloy porous structure has been developed rapidly in orthopedic implant design and clinical application due to its good mechanical properties and biocompatibility. Compared with coated prosthesis, the porous structure of titanium alloy trabecular bone has the advantages of fast and good bone growth. In order to ensure the safety of orthopedic implants, the tensile, shear and flexural fatigue strength of trabecular bone structures are determined by experimental methods.
OBJECTIVE: To investigate the mechanical properties of trabecular bone porous structure by mechanical experiments and finite element numerical simulation.
METHODS: (1) Tensile test of three-dimensional printed titanium alloy trabecular bone: three-dimensional printed titanium alloy trabecular bone was designed and fabricated. The wire diameter was 0.28-0.35 mm, the pore size was 0.71 mm, and the porosity was 73%. The tensile strength was detected, and the failure mechanism was analyzed. The effect of different printed parts on the tensile strength of trabecular bone was analyzed. (2) Numeric simulation test: a solid model of the tensile specimens including the theoretical structure of the trabecular bone was established to simulate the tensile failure process of trabecular bone specimens.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The ultimate load of the three-dimensional printed titanium alloy trabecular bone was 39.55-47.11 kN, and an equivalent ultimate tensile stress was 62.79-74.53 MPa. The result of tensile failure was fracture of the network structure, suggesting that titanium alloy trabecular bone had higher tensile strength. (2) Results of tensile test and numeric simulation test showed that the failure location of trabecular bone was mainly on the wire diameter, but not on the interface between trabecular bone and titanium alloy solid. (3) The tensile failure load obtained by numerical simulation was lower than that of experimental results. The main reason is that the wire diameter of the three-dimensional printed trabecular bone (280-350 μm) was larger than that of the theoretical size (142 μm), and the pore size (75% porosity) was smaller than the theoretical value (96% porosity).
Key words: three-dimensional printing; titanium alloy trabecular bone; tensile test; finite element method; numerical simulation; failure mechanism; wire diameter; tensile failure load
Funding: the Key Science and Technology Support Project of Tianjin, No. 18YFZCSY00890 (to LL); the Tianjin Science and Technology Plan Project Major Program of Biomedical Engineering Science and Technology, No. 18ZXSGSY00010 (to LJ); the Third Batch Tianjin Talent Development Special Support Plan-High-Level Innovation and Entrepreneurship Group (to LJ)
0 引言 Introduction
钛合金材料具有良好的生物力学性能和生物相容性[1-4]，是目前骨科植入领域应用十分广泛的假体制备材料[5-8]。与实心金属假体相比，表面采用多孔结构的金属假体显著提高了生物活性，可以实现骨组织在假体表面的骨长入，提高了骨与假体的结合性能[9-13]，可在短期提高植入体的生物学稳定性。据报道与实心金属种植体相比，具有骨小梁结构的种植体与骨界面的结合强度可增加约3倍[14-16]，提高了假体的使用寿命。钛合金的弹性模量约为皮质骨的10倍，长期植入时会产生应力遮挡效应，导致生物力学失效，而多孔钛支架相比致密钛有较低的弹性模量[17-20]。EL-HAJJE等[21-22]研究发现3D打印钛合金支架性能优异，其拉伸模量、压缩模量皆与人体松质骨接近，抗断强度、断裂韧性皆高于人体骨组织。NOVER等[23-25]研究证实多孔钛支架有与骨相似的弹性模量，同软骨组织相比拥有相似甚至更高的生物相容性及力学性能。VANB AEL等[26-30]通过对多种多孔钛支架的检测及细胞实验发现，多孔钛支架的机械强度、生物相容性同其孔隙率、孔径大小及支架结构有关。
天津嘉思特华剑医疗器材公司在制备骨小梁髋关节假体时，按照有关部门的评审建议对贴附在臼杯假体和骨柄袖套上的骨小梁结构进行了拉伸破坏实验，用以检验骨小梁的破坏强度和破坏方式。实验选择了一种打印后孔隙率高于70%的骨小梁结构，采用3D打印方法制备了钛合金骨小梁拉伸试件，进行了拉伸实验，得到了拉伸破坏载荷与
等效破坏拉应力；同时创建了带有骨小梁理论结构的拉伸试件实体模型，采用数值方法模拟了骨小梁试件的拉伸过程，研究了骨小梁的破坏方式和破坏载荷，比较了实验与数值结果的差别，分析了产生差别的原因。文中工作对于认识骨小梁拉伸性能和进一步研究带有骨小梁结构假体的强度有较好的参考价值。
1 材料和方法 Materials and methods
1.1 设计 钛合金骨小梁多孔结构拉伸试件的力学实验和数值模拟。
1.2 时间及地点 实验于2019年5至6月在在天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室完成。 1.3 材料
力学实验材料：钛合金粉末(Ti6Al4V)、金属3D打印机(型号Q10plus)由Arcam公司提供；UTM5105电子万能试验机(深圳三思试验设备有限公司)。
数值模拟材料：三维建模软件UG(Siemens PLM Software公司)，有限元分析软件Ansys(美国ANSYS公司)。 1.4 实验方法
1.4.1 骨小梁多孔结构的筛选 采用三维建模软件UG构建了开放式泡沫(Box1-Box4)和晶体(Box5-Box8)2大类8种骨小梁胞元结构的三维模型，见图1所示。
将8种骨小梁胞元结构分别导入有限元分析软件ANSYS，对单个胞元结构的几何特性及力学性能进行分
3499
张兰，王翔，刘军，张春秋，叶金铎，刘璐. 3D打印钛合金骨小梁多孔结构的拉伸性能[J]. 中国组织工程研究，2020，24(22):3498-3503. DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2274
Box1 Box2 Box3 Box4
有研究表明，类骨小梁多孔种植体利于骨长入的理想多孔结构是：孔隙率70%-85%[14]。实验制备的骨小梁多孔结构的孔隙率为73%，较适合作为骨植入物的表面结构。 1.4.2 骨小梁结构拉伸试件的设计 骨小梁结构拉伸试件的结构设计及尺寸见图2所示(单位：mm)，图中的三维网状结构部分是以晶体胞元结构(Box8细径，胞元边长尺寸为2 mm)为单元的骨小梁多孔结构，其余部分均为实心。 1.4.3 制备骨小梁拉伸试件进行实验 采用3D打印技术制备钛合金骨小梁多孔结构拉伸试件，为了考察位置不同对骨小梁拉伸试件力学性质的影响，制备试件时选择成型腔内8个角落及中心分别打印拉伸试件并编号，见图3所示，总共9个位点，每个位点制备了3个试件，共27个试件。
图注：图中数据单位为mm
图 2 骨小梁多孔结构拉伸试件结构设计图
Figure 2 Structural design diagram of tensile specimen of porous
structure of trabecular bone
图3 3D打印钛合金骨小梁多孔
结构拉伸试件8个角落及中心的位置编号示意图
Figure 3 Location number diagram of eight corners and centers
八种骨小梁胞元结构的三维模型 图1 Figure 1 Three-dimensional model of eight kinds of trabecular cell structure 析。将图1中的结构Box8视为Box8(细径)，将其丝径加粗，又得到Box8(中径)和Box8(粗径)两种胞元结构。骨小梁胞元结构的几何结构特性如表1所示。
在骨小梁的筛选中通常考虑的主要因素包括骨小梁单元的强度与孔隙率大小，在制备骨小梁袖套和臼杯时，因为骨小梁结构被切割以后会有较多的断丝，所以节点多的骨小梁结构受到切割后，对丝径之间的连接关系影响相对较小，对提高骨小梁的强度有利；而节点少的骨小梁被切割以后，对丝径之间的连接关系影响较大，会严重影响骨小梁结构的强度。因此按照有利于强度的观点选骨小梁，晶体结构优于开放式泡沫结构。
在表1中，开放式泡沫结构因为节点少于晶体结构骨小梁，没有被选用，晶体结构Box6、Box7两种骨小梁的孔隙率较低，也被筛除，剩下的3种晶体结构骨小梁，最后一种因为孔隙率低被筛除。选择Box8(细径)和Box8(中径)时，作者制备了经3D打印的骨小梁试件，尺寸为20 mm×20 mm× 10 mm，经孔隙率测试，Box8(中径)的孔隙率低于70%，Box8(细径)的孔隙率大于70%。经分析比较选用孔隙率为96.1%的骨小梁结构Box8(细径)，丝径为0.142 mm，孔径为0.75 mm，孔隙率为96%，经3D打印后得到钛合金骨小梁结构的丝径、孔径和孔隙率分别为0.28-0.35 mm、0.71 mm、73%。
表1 骨小梁胞元结构几何结构性能(理论值)
Box5 Box6 Box7 Box8
Table 1 Geometric structure performance of cell structure of trabecular bone (theoretical value)
骨小梁名称 Box1
Box2 Box3
丝径(mm) 孔径(mm)
体积(mm3) 表面积(mm2) 比表面积(mm-1)
孔隙率(%)
惯性矩(mm4) Ixx
Iyy 2.265 0.227 0.061 0.757 1.186 1.614 0.979 0.206 0.654 1.273
极惯性矩(mm4) Izz 2.265 0.227 0.061 0.757 1.186 1.614 0.979 0.206 0.654 1.273
0.609 0.400 0.200 0.443 0.250 0.334 0.304 0.142 0.274 0.401 0.336
0.750 0.800 0.900 0.750 1.250 0.636 0.405 0.750 0.613 0.433 0.729
3.624 0.832 0.332 0.964 0.953 2.319 1.522 0.314 1.007 1.967
21.662 8.640 5.2182 18.280 19.875 33.433 20.159 11.209 18.960 25.375
5.977 10.385 15.717 18.963 20.855 14.417 13.245 35.697 18.828 12.900
54.7 89.6 95.6 88.0 88.1 71.0 81.0 96.1 87.4 75.4 82.7
2.265 0.227 0.061 0.757 1.186 1.614 0.979 0.206 0.654 1.273
Box4
Box5
Box6 Box7 Box8(细) Box8(中) Box8(粗)
平均值
V0-V 表注：孔隙率为理论值，其计算公式为 × ；惯性矩为结构的抗弯性能指标，极惯性矩为结构的抗扭性能指标 100%
V0
3500
ZHANG L, WANG X, LIU J, ZHANG CQ, YE JD, LIU L. Tensile properties of three-dimensional printed porous titanium alloy trabecular bone.
Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2020;24(22):3498-3503. DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2274
试件制备依据ASTM F1147-05(R2017)《Standard Test Method for Tension Testing of Calcium Phosphate and Metallic Coatings》，使用UTM5105电子万能试验机(深圳三思试验设备有限公司)对试件进行拉伸力学性能实验，设备量程为100 kN。环境温度为(23±2) ℃，湿度为(50±5) ℃。拉伸速度为2.5 mm/min。 1.4.4 数值模拟方法
建立有限元模型：按照骨小梁拉伸试件的结构设计图，在有限元分析软件ANSYS中创建了骨小梁结构拉伸试件的实体模型。其中，骨小梁部分的模型采用晶体结构单元通过对骨小梁单元进行复制阵列和布尔运算生成，考虑到对称成型，创建了试件的1/4模型。骨小梁结构拉伸试件的1/4实体模型如图4所示，骨小梁部分的1/4实体模型如图5所示。
图4 骨小梁结构拉伸试件的 1/4模型
Figure 4 1/4 Model of tensile specimen of trabecular bone structure
图5 骨小梁部分的1/4实体
模型
Figure 5 1/4 Solid model of trabecular bone part
模型前处理：拉伸试件采用钛合金材料经3D打印技术制备，已经测得3D打印密实钛合金材料的弹性模量E= 110 GPa，屈服强度σs=950 MPa，强度极限与屈服极限相等。
对整个拉伸试件模型的有限元网格划分如图6所示，试件共划分单元143 987个，其中实体部分划分110 318个单元，骨小梁部分划分33 669个单元，骨小梁部分有限元网格划分如图7所示。
图6 拉伸试件1/4模型的有 限元网格
Figure 6 Finite element mesh of 1/4 tensile specimen model
图7 骨小梁部分1/4模型的
有限元网格 Figure 7 Finite element mesh of 1/4 trabecular bone model
有限元计算的边界条件为：在对称面施加对称边界条件，在试件一端的端面施加零位移约束，在另一端施加轴向位移约束，位移约束的数值需要试算，以骨小梁实体部分在横截面的整个区域的等效应力达到或超过屈服应力为依据，此时认为骨小梁试件已经发生失效。计算中设置了10个载荷步，收敛准则采用残余力收敛准则，收敛精度取为0.1%。
1.5 主要观察指标 3D打印钛合金骨小梁多孔结构拉伸试件的极限载荷与等效极限拉伸应力；数值模拟实验的位移云图和等效应力云图，找出发生破坏时的最大应力位置。
2 结果 Results
2.1 3D打印钛合金骨小梁多孔结构拉伸试件实验结果 3D打印技术制造的钛合金骨小梁多孔结构拉伸试件的实物图及试件在电子万能试验机上进行拉伸实验前后的照片，见图8所示。 图注：A为拉伸 前的试件，B为 拉伸实验过程中的试件，C为 试件拉断后的 断口
图 8 3D打印钛合金骨小梁拉伸试件
Figure 8
Three-dimensional printed tensile specimen of titanium alloy trabecular bone
测量试件骨小梁处2个互相垂直方向的直径，取其平均值作为试件骨小梁处的直径。骨小梁拉伸试件尺寸和拉伸实验结果数据如表2所示。3D打印的这批试件，其直径分布在28.31-28.51 mm之间，极限载荷分布在39.55-47.11 kN之间，等效极限拉伸应力分布在62.79-74.53 MPa之间，拉伸破坏的结果均为网状结构断裂。等效极限拉伸应力计算采用极限载荷与试件横断面面积的比值。
表2 检测样本的尺寸和静态拉伸实验结果
Table 2
Sample size and static tensile
项目
直径(mm) 横断面面积(mm2) 极限载荷(kN) 等效极限拉伸应力(MPa) 最大值
28.51 646.92 47.11 74.53 最小值
28.31 629.46 39.55 62.79 平均值
28.43
635.94
43.34
68.15
3D打印成型腔内9个位点的拉伸试件的拉伸性能比较如图9所示。从图中可以看出，9个位点的试件拉伸力学性能基本一致，其中位点2的3个试件的平均极限载荷和平均极限拉伸应力最低(41.01 kN，65.08 MPa)，位点3的3个试件的平均极限载荷和平均极限拉伸应力最高(45.29 kN，71.21 MPa)。
3501
张兰，王翔，刘军，张春秋，叶金铎，刘璐. 3D打印钛合金骨小梁多孔结构的拉伸性能[J]. 中国组织工程研究，2020，24(22):3498-3503. DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2274
50 45 40
)N35 k (荷30 载25 限20 极15 10 5 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9
位点
80 70 )aP60 M(力50 伸40 拉 限30 极20 10
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9
位点
图9 3D打印钛合金骨小梁拉伸试件9个位点的极限载荷与等效破
坏应力比较
Figure 9 Comparison of ultimate load and equivalent failure stress
of tensile specimens at nine sites
2.2 数值模拟实验结果 拉伸试件整体模型的等效应力结果如图10所示，实体局部应力结果如图11所示。从图10和图11可以看出，实体部分的应力数值远低于骨小梁部分的应力，同时还可以看出与骨小梁粘接处位置的应力数值大于实体其余区域的应力，但是远小于骨小梁丝径上的应力。 图10 钛合金骨小梁拉伸试件 整体模型的等效应力图
Figure 10 Equivalent stress diagram of overall model of tensile specimen
图11 钛合金骨小梁拉伸试件
实体部分模型的局部应力结果 Figure 11 Local stress
results of solid part of tensile specimen
对试件各个部分进行应力分析，通过分析计算结果，当载荷步等于8时，骨小梁试件横截面丝径的应力已经达到950 MPa。对骨小梁应力结果的分析发现，骨小梁丝径上的应力远高于骨小梁节点上的应力，其中丝径上的应力数值约为950 MPa，骨小梁节点上的应力数值为650 MPa，说明骨小梁发生破坏时丝先断，此结果与骨小梁拉伸实验的断口的形貌一致。骨小梁不同截面的应力结果见图12，13。再考虑图10和图11，说明骨小梁试件发生破坏时断口位于2个实体截面之间骨小梁的丝径处。
3502
图注：节点处的应力为624-664 MPa，丝径处的应 力数值为939-951 MPa 图12 骨小梁近右侧实体 位置的等效应力
Figure 12 Equivalent
stress of near the right solid position of trabecular bone 图注：节点处的应力为 597-645 MPa，丝径处的应力数值为932-939 MPa 图13 骨小梁近左侧实体 位置的等效应力
Figure 13 Equivalent
stress near the left solid position of trabecular bone
计算失效载荷与试件截面的等效应力。提取试件骨小梁等效应力等于950 MPa时的轴向载荷，1/4模型的轴向载荷为F1=2 577 N，整个试件的轴向载荷为F=10.31 kN，骨小梁截面的等效正应力为：
2.3 实验与数值模拟结果比较分析 实验结果显示，骨小梁受到拉伸载荷作用的破坏拉应力数值为68.15 MPa，此数值可以作为骨小梁植入假体的设计参考。
3D打印钛合金骨小梁拉伸试件实验与数值模拟结果均显示，骨小梁试件受到拉伸破坏时的破坏形式为丝径断裂，不会在骨小梁与钛合金实体的结合面发生断裂。
将骨小梁拉伸试件模型的数值模拟结果与骨小梁拉伸试件的拉伸实验结果相比，计算得到的轴向失效载荷约为实验数值的1/4(数值计算10.31 kN，实验43.34 kN)，失效时试件截面等效应力的数值约为实验数值的1/4(数值计算16.24 MPa，实验68.15 MPa)。计算结果与实验结果存在误差的主要原因是，经3D打印的骨小梁试件的丝径与理论值差别较大，骨小梁理论模型的丝径数值约为142 μm，经3D打印骨小梁的丝径数值介于280-350 μm之间，骨小梁的孔隙率的理论值为96%，经3D打印得到的骨小梁孔隙率数值为75%左右。骨小梁试件的丝径与孔隙率变化是计算
结果与实验结果存在误差的主要原因。
3 讨论 Discussion
3D打印定制多孔钛合金已成为骨科植入物应用的新兴材料，对3D打印金属多孔结构的力学性能及生物学性能研究是研究骨植入物的关键。在力学性能方面，目前国外对3D打印金属骨小梁结构的研究工作主要是从实验方面研究其准静态压缩、剪切、扭转的力学性能，亦有对泡沫金属拉伸性能的研究，但较少有对3D打印多孔金属的拉伸性能的研
ZHANG L, WANG X, LIU J, ZHANG CQ, YE JD, LIU L. Tensile properties of three-dimensional printed porous titanium alloy trabecular bone.
Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2020;24(22):3498-3503. DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2274
究；而国内对3D打印金属骨小梁方面的研究工作主要集中在带有骨小梁结构髋臼等假体的临床应用和疗效分析方面，缺少对金属骨小梁结构设计制造与力学实验方面的研究。
实验通过分析比较不同骨小梁胞元结构的几何结构特性和力学性能，筛选出一种打印后具有较高孔隙率的以晶体结构为单元的骨小梁结构，不仅从实验方面研究了经3D打印制造的钛合金骨小梁的拉伸性能，而且采用有限元建模数值模拟了骨小梁试件的拉伸过程。综合采用实验和数值模拟的方法研究了骨小梁的破坏方式和破坏载荷，比较了实验与数值结果的差别并分析了产生差别的原因，对于进一步研究带有骨小梁结构假体的强度有较好的参考价值。
实验也存在一定的局限性：经3D打印技术制造的骨小梁结构丝径与建立的有限元理论模型丝径值差别较大，为了减少这一因素导致的数值计算与实验结果存在的误差，下一步的研究计划通过MICRO-CT扫描重建3D打印骨小梁的实体模型再进行数值计算，这需要解决好降低计算规模和提高计算精度方面的问题。
目前全髋关节置换和全膝关节置换的数量越来越多。对于高承载的腿部和髋部骨结构，行膝关节和髋关节置换手术所用到的金属骨小梁假体必须具有相对较高的孔隙率来满足骨长入的需要，同时保持足够的强度来满足安全需要。因此，研究金属骨小梁结构的力学性能对于进一步设计制备带有金属骨小梁结构的假体具有很好的科学意义和临床价值。
作者贡献：叶金铎、刘璐进行实验设计，实验实施为张兰、王翔，实验评估为叶金铎，资料收集为刘军，张兰、叶金铎成文，张春秋、刘军审校。
经费支持：该文章接受了“天津市科技支撑重点项目(18YFZCSY00890)、天津市科技计划项目生物医学工程科技重大专项(18ZXSGSY00010)、第三批天津市人才发展特殊支持计划-高层次创新创业团队”的资助。所有作者声明，经费支持没有影响文章观点和对研究数据客观结果的统计分析及其报道。
利益冲突：文章的全部作者声明，在课题研究和文章撰写过程不存在利益冲突。
写作指南：该研究遵守国际医学期刊编辑委员会《学术研究实验与报告和医学期刊编辑与发表的推荐规范》。
文章查重：文章出版前已经过专业反剽窃文献检测系统进行3次查重。
文章外审：文章经小同行外审专家双盲外审，同行评议认为文章符合期刊发稿宗旨。
文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。
开放获取声明：这是一篇开放获取文章，根据《知识共享许可协议》“署名-非商业性使用-相同方式共享4.0”条款，在合理引用的情况下，允许他人以非商业性目的基于原文内容编辑、调整和扩展，同时允许任何用户阅读、下载、拷贝、传递、打印、检索、超级链接该文献，并为之建立索引，用作软件的输入数据或其它任何合法用途。
4 参考文献 References
[1]
王若云.钛合金Ti6Al4V表面Zn掺杂ZrO_2/TiO_2复合涂层的制备?生物学行为及耐蚀性能的研究[D].太原:太原理工大学, 2017.
[2] 吴利苹,邹善方,刘睿诚,等.钛及钛合金3D打印医用产品的生物安全性[J].中国组织工程研究,2018,22(34):5559-5564.
[3]
侯乐干.医用多孔钛基金属材料制备及性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013.
[4] 任鑫明,马北越,张博文,等.多孔钛及钛合金的研究进展[J].稀有金属与硬质合金,2018,46(1):61-64,75.
[5] 于振涛,余森,张明华,等.外科植入物用新型医用钛合金材料设计?开发与应用现状及进展[J].中国材料进展,2010,29(12):35-51. [6] 金旭丹,杨晓康,魏芬绒,等.医用钛及钛合金表面改性材料与技术研究进展[J].世界有色金属,2018,21(7):265-266,268.
[7] 魏芬绒,王海,金旭丹,等.生物医用钛合金材料及其应用[J].世界有色金属,2018,21(2):260-262.
[8] 于振涛,余森,程军,等.新型医用钛合金材料的研发和应用现状[J].金属学报,2017,53(10):1238-1264.
[9] 于杰,朱明康,闻明,等.新型医用钛合金材料的研究进展[J].昆明理工大学学报(自然科学版),2017,42(3):16-22.
[10] 王峥.多孔钛合金生物材料的孔隙特征与性能研究[D].长春:吉林大学,2007.
[11] 王中汉,王辰宇,刘贺,等.3D打印钛合金孔隙支架骨长入影响因素的分析[J].中国组织工程研究,2016,20(52):7821-7828.
[12] 张玲,李凯,潘庆,等.仿真“骨小梁”牙种植体的生物力学特征[J].中国组织工程研究,2017,21(26):4137-4142.
[13] 李德源,陈海斌.松质骨内液体渗透率实验测试和理论预测[J].重庆师范大学学报(自然科学版), 2001,18(2):19-22.
[14] 陈宇.基于激光三维打印的类骨小梁多孔钛种植体的设计及其体内成骨效应研究[D].重庆:重庆医科大学,2017.
[15] 杨伽捷,朱裕昌,杨春喜.多孔金属骨组织支架的研究进展[J].实用骨科杂志,2018,24(2):148-152.
[16] 吴天琦,杨春喜.可用于骨修复的3-D打印多孔支架研究进展[J].中国修复重建外科杂志,2016,30(4):509-513.
[17] 刘时兵.生物工程用新型低弹性模量钛合金材料研究[D].北京:机械科学研究院,2005.
[18] 周梦,成艳,周晓晨,等.基于增材制造技术的钛合金医用植入物[J].中国科学:技术科学,2016,46(11):1097-1115.
[19] 杨海欧,林鑫,陈静,等.激光成形制备生物医用钛合金材料研究进展[J].铸造技术,2011,32(10):1431-1434.
[20] 贾建刚,井勇智,高昌琦,等.骨移植多孔钛材料制备方法与发展概况[J].中国有色金属学报,2019,29(6):1187-1197.
[21]
EL-HAJJE A, KOLOS EC, WANG JK, et al. Physical and
mechanical characterisation of 3D-printed porous titanium for biomedical applications.J Mater Sci Mater Med. 2014;25(11): 2471-2480.
[22]
孙允龙,康红磊,林坷升,等.基于选区激光熔融技术制备的多孔钛合金支架的力学性能及成骨能力评价[J].生物骨科材料与临床研究,2019,16(2):1-5.
[23]
NOVER AB,LEE SL,GEORGESCU MS,et al.Porous titanium bases for osteochondral tissue engineering.Acta Biomater. 2015;(27):286-293.
[24] 刘安. 3D打印骨科内植物在兔膝关节损伤修复中的实验研究[D].杭州:浙江大学,2017.
[25] 赵立明.3D打印钛合金骨小梁骨干假体在山羊体内骨长入的实验研究[D].天津:天津医科大学,2017.
[26]
VAN BAEL S,CHAI YC,TRUSCELLO S,et al.The effect of pore geometry on the in vitro biological behavior of human periosteum-derived cells seeded on selective laser-melted Ti6Al4V bone scaffolds.Acta Biomater.2012;8(7):2824-2834. [27] 王中汉. 3D打印钛合金微孔支架/可注射性水凝胶复合体系对骨缺损修复机制的研究[D].长春:吉林大学,2018.
[28]
AMIN YAVARI S, JOHAN VDS, CHAI YC, et al. Bone
regeneration performance of surface-treated porous titanium. Biomaterials.2014;35(24):6172-6181.
[29] 刘畅,王辰宇,刘贺,等.3D打印Ti6Al4V钛合金支架的力学性能及生物相容性[J].中国有色金属学报,2018,28(4):758-765.
[30]
胡如印.3D打印多孔钛金属骨小梁髋臼杯的临床应用?体内基础研究与生物力学研究[D].南宁:广西医科大学,2018.
3503
3D打印钛合金骨小梁多孔结构的拉伸性能 - 图文
