基于Voronoi的功能梯度多孔结构用于仿生骨植入物的多物理性能

《Journal of Materials Research and Technology》：Multi-physical performance of Voronoi-based functionally graded porous structures for biomimetic bone implants

　　

理想骨科植入物的设计需要孔隙梯度匹配骨小梁（trabecular bone）的生物力学和结构特性，以实现最佳组织整合和机械支撑。然而，同时满足这些复杂的多物理需求仍具挑战。本研究基于Voronoi剖分（Voronoi tessellation）提出了空间梯度设计策略，以实现平衡的多物理性能，特别是在力学性能和物质传输方面。研究人员采用杆厚梯度（strut thickness-graded, STG）和种子间距梯度（seed spacing-graded, SSG）策略设计功能梯度结构，同时生成均匀孔隙（uniform pore, UNI）结构作为对照。这些多孔结构通过增材制造（additive manufacturing）使用Ti6Al4V粉末制备，随后通过尺寸精度分析、力学测试和数值模拟进行评估。与STG方法相比，SSG策略增强了Voronoi结构的弹性模量（elastic modulus）、疲劳抗性（fatigue resistance）和流体性能，同时保持了与UNI对照组相当的能量吸收能力（energy absorption capacity）和屈服强度（yield strength）。具体而言，SSG-2多孔结构表现出弹性模量4117.09 ± 14.17 MPa，能量吸收35.99 ± 0.53 J，屈服强度97.45 ± 0.20 MPa。此外，流体分析显示其高速度区域和涡量分布集中在内部核心，23.89%的壁面剪切应力（wall shear stress, WSS）落在骨组织分化的最佳范围内。这些结果凸显了SSG策略，特别是梯度变化程度递增的构型，比STG策略更适合设计具有平衡力学和物质传输功能的仿生支架。

**论文解读：基于Voronoi的功能梯度多孔结构在仿生骨植入物中的多物理性能研究**

**研究背景与问题**
大段骨缺损因创伤、肿瘤等病理条件而成为临床挑战，骨组织再生能力有限促使仿生骨支架成为重要候选方案。理想支架需同时实现解剖适配、力学兼容和高效物质传输，但天然骨小梁（trabecular bone）具有复杂层级结构，其结构形态、力学行为与流体传输紧密耦合。现有均匀多孔结构（如周期性单元胞或三周期极小曲面（TPMS））因几何规则性无法复现骨小梁的异质性和不规则性，而随机多孔结构（如基于Voronoi剖分）虽能模拟随机性，但多数研究假设空间均匀的种子分布和恒定杆厚，缺乏功能梯度特性。以往研究仅单独关注杆厚梯度或种子密度梯度，且仅评估单一力学指标（如强度、疲劳或能量吸收），缺乏对两种梯度策略耦合效应及梯度幅度对力学-流体联合性能的系统理解。因此，本研究旨在通过系统比较杆厚梯度（STG）和种子间距梯度（SSG）两种Voronoi梯度设计策略，阐明不同架构控制策略如何调控多孔支架的多物理性能，为理性设计提供机制见解。

**研究内容与结论**
研究人员设计了五种多孔结构：均匀孔隙（UNI）对照、两种STG（STG-1和STG-2，径向杆径递增）和两种SSG（SSG-1和SSG-2，径向种子间距递减）。所有结构孔隙率约70%，通过激光粉末床熔融（LPBF）用Ti6Al4V粉末制造，并进行准静态压缩实验、压缩-压缩疲劳实验、有限元模拟（FEA）和计算流体动力学（CFD）模拟。主要结论：SSG策略（尤其是SSG-2）在保持能量吸收和屈服强度与UNI相当的同时，显著提高了弹性模量（4117.09 MPa，比UNI提高19.53%）和疲劳抗性（疲劳极限14.44 MPa）；流体分析显示SSG-2渗透率最高（20.41×10^-9 m²），且23.89%的壁面剪切应力（WSS）落在骨组织分化最佳范围（5–10 Pa）。该研究发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

**主要关键技术方法**
1. **Voronoi剖分设计**：使用Rhinoceros 6软件，通过设定种子点间距和杆径参数生成UNI、STG和SSG多孔结构，种子间距梯度由径向线性插值公式控制。
2. **激光粉末床熔融（LPBF）增材制造**：采用BLTA300设备，以Ti6Al4V球形粉末（15–53 μm），在激光功率90 W、扫描速度800 mm/s、层厚30 μm、扫描间距60 μm条件下制造圆柱试样。
3. **准静态压缩实验**：使用万能试验机（TSE 104B）以10^-3 s^-1应变率加载，提取弹性模量和屈服强度。
4. **压缩-压缩疲劳实验**：使用Instron 8874，频率15 Hz，正弦波，应力比0.1，加载应力范围0.2–0.6倍屈服强度，终止于10⁶次循环或失效。
5. **有限元模拟（FEA）**：采用ABAQUS显式求解器，以C3D10M单元模拟压缩行为，应用Johnson-Cook本构模型和损伤模型。
6. **计算流体动力学（CFD）模拟**：使用ANSYS CFX，以血液（粘度0.003 Pa·s，密度1060 kg/m³）为流体，进口速度1 mm/s，出口压力0 Pa，计算渗透率、涡量、WSS等。

**研究结果**

**3.1 多孔结构的制造**
通过CT扫描和尺寸分析，LPBF制造的结构与设计模型吻合良好，实际孔隙率偏差小于1.67%，杆径偏差在11.25–119.89 μm范围内，表明制造精度高且无可见缺陷。

**3.2 静态压缩性能**
实验与模拟应力-应变曲线高度一致（误差<5%）。SSG-2弹性模量（4117.09 MPa）显著高于UNI（3444.51 MPa）（p<0.05），而STG组弹性模量（3330–3429 MPa）低于UNI且无显著差异。屈服强度方面，SSG-2（97.45 MPa）与UNI（97.64 MPa）无显著差异，但STG组和SSG-1显著降低。变形模式：所有结构在3%应变时出现微弯曲，20%–30%应变时局部膨胀，40%应变时形成对角剪切带崩溃。SSG-2和STG-2有效缓解了节点应力集中。

**3.3 疲劳性能**

**3.3.1 应变累积**
五种结构均呈现三阶段应变累积曲线：初始快速累积、稳定平台期（微裂纹扩展）、加速失效期。SSG-2在高低循环疲劳域中均表现出最低的每周期累积应变，表明其变形抗性最优。

**3.3.2 循环响应**
滞回曲线显示随循环次数增加，切线模量逐渐下降。疲劳损伤应变（表征裂纹扩展）在约35,000–40,000周期前主导失效，而循环棘轮应变（表征宏观塑性）贡献较小，表明失效主要由裂纹扩展驱动。

**3.3.3 S-N曲线**
所有结构符合典型疲劳趋势，高应力下寿命短。SSG-2在梯度结构中疲劳抗性最高，疲劳极限为14.44 MPa（UNI为15.66 MPa），与UNI相当。

**3.3.4 断裂行为**
所有疲劳失效均表现为对角剪切带，扫描电镜（SEM）观察到疲劳辉纹，表明杆件经历了渐进损伤积累。

**3.4 计算流体动力学结果**
SSG-2渗透率最高（20.41×10^-9 m²），略高于UNI（19.45×10^-9 m²），而STG-1最低（14.91×10^-9 m²）。速度分布显示SSG-2在中心形成高速通道，涡量集中在中心轴（平均体积涡量3.50 s^-1，低于UNI的4.66 s^-1）。WSS分析表明SSG-2在5–10 Pa区间占比最高（23.89%），有利于骨组织分化，平均WSS（14.74 Pa）低于UNI（18.63 Pa），提供更稳定的细胞附着环境。

**讨论与结论**
讨论部分指出，拓扑参数（如Voronoi不规则度）的微小差异对宏观力学行为影响可忽略，SSG策略通过形成致密外壳（类似皮质骨）提高全局刚度，而STG因内部杆变薄导致屈服强度下降。疲劳性能上，SSG因外围壳承受主要循环应力，延迟了内部裂纹萌生。流体特性方面，SSG引导流体通过中心通道，降低涡流并提升WSS适宜性。与文献中多种多孔结构（如TPMS、立方体、金刚石结构）及骨小梁相比，SSG-2在弹性模量和疲劳强度上优于多数Voronoi结构，且渗透率覆盖骨小梁范围。研究局限性包括缺乏生物体内评估、CFD边界条件简化（未模拟脉动流）、未评估各向异性力学响应等。

**结论**：本研究提出了两种基于Voronoi剖分的功能梯度多孔支架设计方法（杆厚梯度和种子间距梯度），并系统比较了它们与均匀孔隙Voronoi结构。静态压缩显示，SSG策略增强了弹性模量（3535.78–4117.09 MPa），且SSG-2具有梯度设计中最高疲劳抗性，与UNI疲劳极限相当。流体动力学表明SSG-2将流体导向核心，形成高速中心通道，限制涡流混合，同时维持高比例WSS值利于骨组织分化。这些结果证明，种子间距梯度策略（尤其是梯度变化程度递增的构型）能有效平衡力学、疲劳和流体性能，同时避免牺牲内部杆厚以实现高孔隙率的设计陷阱，从而在结构疲劳抗性与生物渗透性之间取得协同平衡。该策略为开发高性能定制化骨科植入物奠定了坚实的生物力学基础。