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基于极小曲面(TPMS)的仿生骨支架生物力学问题研究

计算流体力学、多场耦合、生物力学、动力学等 > 生物力学

基于极小曲面(Triple Periodic Minimal Surface， TPMS)的骨支架具有零
曲率，高表面/体积比和较易的功能梯度过渡等优势，目前已成为人工骨支架研
究的重点和热点。 此外，增材制备技术具有的制备个性化和复杂宏/微结构能力
为骨支架的制备带来了新契机。 然而， 目前大多数 TPMS 骨支架具有各向异性的
微结构，其力学性能同样可能呈现出各向异性，因而，单轴拉压实验已经无法准
确描述其力学性能。 另外，已有大量文献报道： 增材制备出的 TPMS 骨支架与理
论设计的骨支架在形态及力学性能等方面具有较大的差异，但其中的机理尚不明
了。因而， 目前较难 3D 制备出接近理论设计的骨支架。本项目的目的是探明 TPMS
仿生骨支架的各向异性力学性能及增材制备误差的机理，为人工生物组织的设计
及制备提供关键指导。
建立各 TPMS 骨支架的单胞数值模型（ Fig.1a），进而计算出各骨支架的独立
弹性常数，利用 Zener 系数定量描述结构的各向异性属性。在制备方面， 采用选
择性激光熔化技术(SLM)制备 5×5×7 骨支架各 10 个，使用显微 CT 扫描得到制
备的骨支架微观形貌。采用图像叠加法在三维空间上定量显示理论设计模型与制
备模型之间的差异。 结果表明， 3D 打印出的 TPMS 支架与理论设计模型存在较大
的差异，其主要差异存在与支架边缘及拐角处； 当支架孔隙率增加时， Gyroid 骨
支架的各向异性显著增加， 而 Fischer-Koch S 及 F-RD 骨支架的各向异性性能随
空隙变化不产生较大变化（ Fig.1b）。