增材制造的钛质TPMS骨支架的个性化性能表现

《Bioprinting》：Tailored performance of additively manufactured titanium TPMS bone scaffold

骨支架设计优化与力学性能研究

　　该研究探讨了如何通过激光粉末床熔融（L-PBF）技术制造钛基三重周期极小曲面（TPMS）支架，以满足骨组织工程中对机械性能和生物相容性的双重需求。TPMS结构以其高表面积与体积比、连续的多孔结构以及与天然骨相似的机械响应，成为骨支架的理想选择。研究通过建立数据驱动的替代模型，将设计变量与机械性能之间的关系进行映射，从而实现对支架性能的精准调控。

钛合金Ti6Al4V因其卓越的生物相容性、耐腐蚀性和高比强度，在骨支架制造中备受关注。这种材料与L-PBF工艺的兼容性，使得其在个性化、负载承载型骨植入物的制造中具有显著优势。通过精确控制支架的几何参数，如壁厚、细胞尺寸等，研究人员能够设计出与天然骨力学特性相匹配的支架。研究中提到的Schwarz结构，因其周期性和自支撑特性，为支架设计提供了良好的平衡点，既能保持足够的机械强度，又能提供适宜的多孔结构以促进细胞附着和血管生成。

研究中详细描述了TPMS支架的设计和制造过程。通过隐式建模技术，研究人员定义了Schwarz单元胞的几何形状，并控制其尺寸和壁厚，以实现所需机械性能。制造过程中，研究人员使用了特定的参数范围，如壁厚为0.3至0.4毫米，细胞半径为2.6至3.6毫米，细胞高度为2.0至3.4毫米，从而确保支架既符合L-PBF的制造限制，又能满足生物工程的需求。制造完成后，支架经过了一系列后处理步骤，包括热处理和表面处理，以优化其机械性能和生物相容性。

为了进一步研究支架的机械性能，研究团队进行了有限元分析（FEA）和实验测试。FEA模拟了支架在压缩载荷下的机械响应，验证了其与实验数据的一致性。实验测试则包括拉伸和压缩试验，用于评估材料的弹性模量、屈服强度和极限强度等关键性能指标。实验结果表明，支架的弹性模量在6至24GPa之间变化，屈服强度和极限强度分别在240至655MPa和320至784MPa之间变化。这些性能指标与壁厚和细胞尺寸密切相关，其中壁厚是主导因素，而细胞尺寸则在次要位置发挥一定作用。

研究还建立了一个多变量替代模型，用于预测支架的机械性能。通过使用响应面方法（RSM）和Box-Behnken实验设计，研究人员能够系统地分析不同几何参数对支架性能的影响。该模型具有高度的预测能力，其决定系数（R2）均超过0.98，表明模型在多个性能指标上的可靠性。模型还揭示了壁厚、细胞半径和细胞高度之间的非线性相互作用，这些相互作用对于支架设计具有重要意义。

研究发现，壁厚是影响支架机械性能的最关键因素。随着壁厚的增加，支架的弹性模量和屈服强度显著提高，而多孔性则有所下降。这表明，通过调整壁厚可以实现对支架机械性能的精准调控，同时保持其多孔结构。细胞半径和细胞高度对支架性能的影响相对较小，但它们在一定程度上可以对多孔性和机械性能进行微调。例如，增加细胞半径会扩大孔隙空间，从而降低支架的机械强度，而增加细胞高度则可能略微影响其机械性能，但对支架的整体强度影响有限。

此外，研究还探讨了支架的多孔性、机械强度和生物相容性之间的平衡问题。高多孔性有助于促进细胞的迁移和血管的形成，但可能降低支架的机械强度。因此，研究人员通过优化壁厚、细胞半径和细胞高度，设计出一种既能满足机械性能要求，又能保持较高多孔性的支架结构。这种优化策略使得支架能够模拟天然骨的力学特性，从而减少应力屏蔽现象，提高长期性能。

研究还对支架的表面形貌进行了分析，使用扫描电子显微镜（SEM）观察了制造过程对支架表面的影响。结果表明，制造过程中可能会产生一些表面缺陷，如松散颗粒和表面粗糙度，这些缺陷可能影响支架的生物相容性。通过后处理步骤，如喷砂处理，可以有效去除这些表面缺陷，提高支架的表面质量和机械性能。

通过该研究，研究人员成功开发出一种能够精确调控机械性能和多孔性的钛基TPMS支架。这种支架不仅能够满足骨组织工程中对机械性能的要求，还能促进细胞的生长和组织的整合。研究结果为未来个性化、功能性强的骨植入物的设计和制造提供了重要的理论依据和技术支持。研究还指出，未来的应用可能需要进一步的实验验证，以确保支架在实际临床环境中的性能和安全性。