基于3D打印的鈦合金-生物陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)人工骨支架設(shè)計(jì)

楊文靜，王　娟，烏日開(kāi)西·艾依提，滕　勇

（1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2.中國(guó)人民解放軍蘭州軍區(qū)烏魯木齊總醫(yī)院全軍骨科中心，新疆烏魯木齊830000）

基于3D打印的鈦合金-生物陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)人工骨支架設(shè)計(jì)

楊文靜1，王娟1，烏日開(kāi)西·艾依提1，滕勇2

（1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047；2.中國(guó)人民解放軍蘭州軍區(qū)烏魯木齊總醫(yī)院全軍骨科中心，新疆烏魯木齊830000）

為了研究鈦合金網(wǎng)架的置入對(duì)所設(shè)計(jì)的鈦合金-生物陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)人工骨支架的影響，利用Ansys軟件建立了鈦合金網(wǎng)架、生物陶瓷支架及復(fù)合結(jié)構(gòu)人工骨支架，分析了復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，以及鈦合金網(wǎng)架的橫梁和立柱的直徑及受力面積對(duì)支架力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：鈦合金網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的置入有助于提高復(fù)合結(jié)構(gòu)支架的力學(xué)性能，增加鈦合金立柱的列數(shù)與直徑有助于提高生物陶瓷支架的力學(xué)性能。

3D打??；復(fù)合結(jié)構(gòu)；人工骨支架

3D打印技術(shù)可用于制作任意形狀的零件，與傳統(tǒng)的組織工程支架制備方法（如纖維粘接法、相分離法、溶液澆鑄/粒子析出法［1-3］）相比，能很好地保證支架內(nèi)部微管道結(jié)構(gòu)及其連通性，已成為組織工程化人工骨支架的一個(gè)主要的制備手段。

骨組織工程要求支架具有高孔隙率以便組織長(zhǎng)入和支架自身降解，同時(shí)還需支架具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，為細(xì)胞提供支撐作用及保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。常用的骨組織工程支架材料有聚合物、生物陶瓷、鈦合金等，但這種單一材料的組織工程支架在生物相容性或力學(xué)性能上存在局限性。本文研究復(fù)合結(jié)構(gòu)人工骨支架，使其同時(shí)具有成骨性能和力學(xué)性能，其中β-TCP（β-磷酸三鈣）生物陶瓷材料具有良好的生物相容性和降解性等優(yōu)點(diǎn)［4］，但其力學(xué)性能不足，不能滿足大段骨缺損對(duì)人工骨支架的力學(xué)強(qiáng)度要求，而多孔鈦合金材料力學(xué)性能較好，但其成骨性能相對(duì)較差［5-7］。

本文設(shè)計(jì)在β-TCP支架結(jié)構(gòu)中置入Ti-6Al-4V網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的復(fù)合人工骨支架，分析其力學(xué)性能，并對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)中鈦合金網(wǎng)架的橫梁和立柱的直徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1　復(fù)合結(jié)構(gòu)人工骨支架的有限元分析

1.1復(fù)合結(jié)構(gòu)支架有限元模型的建立

利用Ansys Workbench的DM模塊建立骨組織工程復(fù)合結(jié)構(gòu)支架的三維模型。生物陶瓷支架結(jié)構(gòu)的外形特征尺寸為7.2 mm×7.2 mm×7.2 mm，內(nèi)部微孔道為正交結(jié)構(gòu)，截面為圓形，初始尺寸為微孔直徑0.5 mm，微孔間距1.8 mm（圖1a）。圖1b是置入支架結(jié)構(gòu)中的Ti-6Al-4V網(wǎng)架，其橫梁和立柱的直徑均為0.5 mm，層間距為1.8 mm。

圖1　人工骨支架的復(fù)合結(jié)構(gòu)模型

將建好的支架模型導(dǎo)入Mechanical模塊進(jìn)行分析。分別對(duì)β-TCP結(jié)構(gòu)和Ti-6Al-4V網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)置材料屬性，β-TCP材料的彈性模量為2.8 GPa［8］、Ti-6Al-4V材料的彈性模量為110.74 GPa，泊松比均為0.3［9］，鈦合金和生物陶瓷間定義為粘結(jié)接觸。為了提高計(jì)算精度，分別對(duì)生物陶瓷和鈦合金的網(wǎng)格劃分進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)置。

1.2復(fù)合結(jié)構(gòu)支架等效應(yīng)力和變形分析

在支架上表面施加表觀應(yīng)變3000 με的壓縮載荷，方向?yàn)榇怪庇谀Ｐ蜕媳砻嫦蛳?，選擇下表面為固定約束。

對(duì)Ti-6Al-4V/β-TCP復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，提取支架的應(yīng)力分布和變形分布情況。圖2是復(fù)合結(jié)構(gòu)支架在壓縮載荷下的等效應(yīng)力和總變形分布。可看出，應(yīng)力分布主要集中在鈦合金網(wǎng)架上面，生物陶瓷β-TCP結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布相對(duì)較小，但其變形更明顯。

圖2　復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形分布

1.3復(fù)合結(jié)構(gòu)與單一結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形對(duì)比分析

為對(duì)比分析加入鈦合金網(wǎng)架后對(duì)生物陶瓷支架力學(xué)性能的影響，采用相同的載荷條件，分別對(duì)β-TCP結(jié)構(gòu)、Ti-6Al-4V網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和Ti-6Al-4V/β-TCP復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，提取支架的應(yīng)力分布和變形分布情況。

圖3是復(fù)合結(jié)構(gòu)中β-TCP結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力和總變形分布圖，相同載荷條件的單一β-TCP結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力和總變形分布見(jiàn)圖4。對(duì)比分析可看出，加入鈦合金網(wǎng)架結(jié)構(gòu)后，支架β-TCP結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形分布均產(chǎn)生了變化，最大等效應(yīng)力和最大總變形分別減小了17.1%和33.9%，表明鈦合金網(wǎng)架的置入有助于提高β-TCP結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

圖5是復(fù)合結(jié)構(gòu)中Ti-6Al-4V網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力和總變形分布圖，相同載荷條件下的單一Ti-6Al-4V網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力和總變形分布見(jiàn)圖6。對(duì)比分析可看出，復(fù)合結(jié)構(gòu)中的鈦合金支架應(yīng)力分布與單一鈦合金支架應(yīng)力分布趨勢(shì)不同，單一鈦合金支架應(yīng)力主要集中在立柱及立柱與橫梁相交處，且分布基本均勻；而復(fù)合結(jié)構(gòu)中鈦合金網(wǎng)架應(yīng)力分布呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)，立柱應(yīng)力非均勻分布，而是由上向下呈遞增趨勢(shì)，支架的總變形分布類似。

圖3　復(fù)合結(jié)構(gòu)中β-TCP結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形分布

圖4　單一β-TCP結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形分布

圖5　復(fù)合結(jié)構(gòu)中Ti-6Al-4V結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形分布

圖6　單一Ti-6Al-4V結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形分布

上述分析結(jié)果均表明，鈦合金網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的置入有助于提高β-TCP結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

2　Ti-6Al-4V網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的橫梁和立柱的直徑影響

初始模型中，Ti-6Al-4V網(wǎng)架的橫梁和立柱的直徑均為0.5 mm，X、Y向橫梁的直徑對(duì)支架力學(xué)性能的影響也是一致的。根據(jù)表1所示的網(wǎng)架參數(shù)，分別改變X向橫梁和Z向立柱的直徑，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，定義最大等效應(yīng)力、最大總變形為支架的狀態(tài)參數(shù)。

表1　Ti-6Al-4V網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的參數(shù)mm

對(duì)上述模型在相同壓縮載荷條件下進(jìn)行分析，提取復(fù)合支架模型中β-TCP結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力、最大總變形及Ti-6Al-4V網(wǎng)架的受力面積，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　模型計(jì)算結(jié)果

圖7是復(fù)合結(jié)構(gòu)中鈦合金網(wǎng)架的Dx、Dz與復(fù)合結(jié)構(gòu)中β-TCP最大等效應(yīng)力的關(guān)系圖?？煽闯觯畲蟮刃?yīng)力隨著Dz、Dx的增加而減?。划?dāng)Dz、Dx 從0.1 mm增加到0.9 mm時(shí)，最大等效應(yīng)力分別減小38.1%和6.8%，表明鈦合金網(wǎng)架立柱直徑的影響相對(duì)較大，設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)增加該直徑值。

圖7　網(wǎng)架橫梁、立柱直徑與β-TCP結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力的關(guān)系圖

圖8是復(fù)合結(jié)構(gòu)中鈦合金網(wǎng)架的Dx、Dz與β-TCP結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系圖?？煽闯?，隨著Dx、Dz的增加，復(fù)合結(jié)構(gòu)中β-TCP結(jié)構(gòu)的最大總變形基本呈線性減小趨勢(shì)；當(dāng)Dz、Dx從0.1 mm增加到0.9 mm時(shí)，β-TCP結(jié)構(gòu)的最大總變形減小37.1%和8.2%，表明鈦合金網(wǎng)架的立柱直徑對(duì)β-TCP結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較大，設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)增加該直徑值。

2.2網(wǎng)架結(jié)構(gòu)影響的綜合分析

為深入分析復(fù)合結(jié)構(gòu)支架的力學(xué)性能與置入Ti-6Al-4V網(wǎng)架的關(guān)系，對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

2.2.1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力面積與β-TCP結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力和總變形的關(guān)系

Ti-6Al-4V網(wǎng)架的受力面積與β-TCP結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力、最大總變形的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖9?？煽闯?，隨著受力面積的增加，最大等效應(yīng)力總體呈遞減的趨勢(shì)，當(dāng)受力面積從0.07 mm2增加到5.7 mm2時(shí)，最大等效應(yīng)力減小了38.1%；且最大總變形也隨著受力面積的增加而逐漸減小。

圖8　網(wǎng)架橫梁、立柱直徑與β-TCP結(jié)構(gòu)總變形的關(guān)系圖

圖9　鈦合金網(wǎng)架受力面積與β-TCP結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力、總變形的關(guān)系圖

分析結(jié)果顯示，隨著Ti-6Al-4V網(wǎng)架受力面積的增加，β-TCP結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力和最大總變形均減小，支架的力學(xué)性能增強(qiáng)。因此，可通過(guò)適當(dāng)增加Ti-6Al-4V網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的立柱直徑或數(shù)量以增大受力面積，進(jìn)而提高支架的力學(xué)性能。

2.2.2網(wǎng)架結(jié)構(gòu)立柱的數(shù)量及直徑與β-TCP結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力和總變形的關(guān)系

Ti-6Al-4V網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力面積是由立柱的數(shù)量和直徑?jīng)Q定的，為此，對(duì)鈦合金支架立柱的數(shù)量和直徑進(jìn)行進(jìn)一步研究，分析其對(duì)支架力學(xué)性能的影響。

為了避免分析過(guò)程中的誤差，設(shè)計(jì)表3所示的4組對(duì)照模型，每組設(shè)計(jì)3個(gè)立柱的數(shù)量和直徑不同、但受力面積相同的支架模型，具體方法為：設(shè)計(jì)Ti-6Al-4V網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的立柱數(shù)量分別為9、6、4根，相應(yīng)地調(diào)整立柱直徑，以使鈦合金結(jié)構(gòu)的受力面積相同，由此得到對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果?？煽闯?，β-TCP結(jié)構(gòu)的最大總變形均呈減小趨勢(shì)，但最大等效應(yīng)力未呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。

表3　相同受力面積的支架模型及計(jì)算結(jié)果

3　結(jié)論

本文對(duì)Ti-6Al-4V/β-TCP復(fù)合結(jié)構(gòu)人工骨支架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析了復(fù)合結(jié)構(gòu)中Ti-6Al-4V網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的橫梁和立柱的直徑及受力面積對(duì)復(fù)合支架力學(xué)性能的影響，得到如下結(jié)論：

（1）增加Ti-6Al-4V網(wǎng)架橫梁的直徑、立柱的列數(shù)和直徑有助于提高支架的力學(xué)性能，且立柱的列數(shù)和直徑對(duì)支架力學(xué)性能的影響相對(duì)較大。

（2）支架的力學(xué)性能與復(fù)合結(jié)構(gòu)中Ti-6Al-4V網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力面積有關(guān)，且隨著受力面積的增加，支架的力學(xué)性能增強(qiáng)。因此，可通過(guò)適當(dāng)增加立柱的直徑和數(shù)量以增大Ti-6Al-4V網(wǎng)架的受力面積，進(jìn)而提高支架的力學(xué)性能。

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Design of Ti Alloy-biological Ceramics Composite Structure Artificial Bone Scaffold Based on 3D Printing

Yang Wenjing1，Wang Juan1，Wurikaixi Aiyiti1，Teng Yong2
（1.School of Mechanical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，China；2.Orthopedic Center of PLA，Urumqi General Hospital of Lanzhou Military Region，PLA，Urumqi 830000，China）

In order to study the influence of Ti alloy grid on the Ti alloy-biological ceramics composite structure artificial bone scaffold which was designed，the Ansys software was used to build the structure model of Ti alloy grid，biological ceramics scaffold and composite structure artificial bone scaffold.The mechanical properties of composite structure scaffold and the influence of the diameter of the beam and column and the forced area on the mechanical properties of biological ceramics structure in composite structure were analyzed.The result show that Ti alloy grid structure enhanced the mechanical properties of the biological ceramics scaffold，and increase the column numbers and diameter could help to improve the mechanical properties of the biological ceramics scaffold.

3D printing；composite structure；artificial bone scaffold

TH122

A

1009－279X（2016）03－0047-05

2015-11-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （51165044，31360229）；西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助項(xiàng)目（sklms2012001）

楊文靜，女，1990年生，碩士研究生。