氧掺杂Ti-25Nb形状记忆合金超弹性植入结构的生物医学建模与性能优化

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Modeling of superelastic implant structures made of biomedical oxygen-added Ti–25Nb based shape memory alloys

本文系统研究了Ti-25Nb基形状记忆合金（SMAs）的热力学行为，通过构建基于Brinson模型的本构模型成功模拟超弹性响应，并结合有限元分析验证了多孔植入支架的力学性能。研究表明0.3%氧掺杂可显著提升相稳定性、超弹性恢复和应力分布均匀性，优化韧带厚度的点阵结构（X型/蜂窝型）能同步改善机械相容性和孔隙率，为替代传统Ti-6Al-4V植入材料提供了新策略。

　　

亮点

本构模型与植入物结构有限元分析

本构模型

形状记忆合金（SMAs）的本构建模涉及内状态变量的公式化，这些变量可捕捉马氏体体积分数（ξ）随应力（σ）和温度（T）的演变，即ξ = ξ(σ, T)。这些公式常辅以源于热力学势（通常是耗散函数）的相变动力学定律，用以控制相变的不可逆性并确保符合第二定律。

方法论

本节概述了评估Ti-25Nb合金热力学行为的方法，如图2所示。本构模型基于在超弹性效应（SE）条件下测试的Ti-25Nb、Ti-25Nb-0.3O和Ti-25Nb-0.7O合金获得的实验数据开发。方法流程始于设计用于模拟Ti-25Nb、Ti-25Nb-0.3O和Ti-25Nb-0.7O合金超弹性行为的算法（图3）。

植入物结构的有限元模型

基于Ti-Nb基合金（Ti-25Nb、Ti-25Nb-0.3O和Ti-25Nb-0.7O）的实验数据开发了二维（2D）有限元模型。这些数值模型应用于不同的几何构型：（i）拉伸试样，（ii）骨支撑植入物（五孔型），以及（iii）点阵型结构（简单半X型和复杂X型，蜂窝型）。所有模拟均使用Abaqus 2024软件进行。有限元模拟的边界条件包括固定约束和位移载荷，以模拟生理受力条件。

本构模型验证

基于Brinson方法的模型经过调整，用于描述Ti-25Nb的形状记忆效应（SME）行为。图6展示了在相变区域内使用Ti-25Nb合金本构模型获得的应力-应变曲线。Ti-25Nb合金的关键参数总结在表1中。基于测量的相变应力，开发了一个函数来模拟相形成动力学并评估机械载荷下的相变行为。

数值结果与比较分析

本节评估了四种植入物模型：拉伸测试、五孔型、简单型和复杂型。对于每种构型，实施了Ti-25Nb、Ti-25Nb-0.3O和Ti-25Nb-0.7O合金的选定属性。首先，通过比较每种合金在选定应变水平下的加载-卸载应变响应来分析拉伸试样。随后，进行数值模型以比较两种结构构型：简单型（五孔型和半X型）和复杂型（X型和蜂窝型），重点分析其应力分布、超弹性回复和孔隙率。

结论

本研究提出了一个现象学本构模型，用于描述Ti-25Nb、Ti-25Nb-0.3O和Ti-25Nb-0.7O的形状记忆效应和超弹性响应。该模型改编自Brinson公式并作为算法实施。在Abaqus中进行的单轴拉伸试验的有限元模拟与实验DIC结果显示出强相关性，验证了模型在机械载荷下的预测能力。支撑结构的数值模型表明，Ti-25Nb-0.3O合金与优化的点阵几何形状相结合，通过改善机械相容性和弹性行为，为可植入支撑结构提供了有前景的替代方案。