通过增材制造实现低成本多孔 Ti-6Al-4 V 结构的骨科应用

随着老年人口、预期寿命和交通事故发生率的增加，金属植入物作为有缺陷的硬组织如髋关节和膝关节植入物的替代品变得越来越受欢迎。金属、天然材料、陶瓷和聚合物是整形外科应用中使用的四大类材料。金属在牙科和骨科应用中具有悠久的使用历史金属植入物占所有植入物的三分之二以上。

钛基合金具有优异的特性，例如超弹性、形状记忆效应、优异的生物耐腐蚀性、令人满意的杨氏模量以及用于生物植入物的优异的生物相容性。然而，固体钛合金具有更高的机械强度和弹性模量，因此已经使用多孔结构代替固体钛合金来获得与人骨类似的结果。通过改变孔隙率和输入参数，已经进行了大量的研究来生产具有较低弹性模量和较高抗压强度的多孔钛合金支架，作为人骨的替代物。在Rhino 6软件中模拟了孔隙率为65 %的三种不同类型的支架(Tesseract、Star和Octet ),并通过增材制造(AM ),特别是Ti-6Al-4 V粉末的选择性激光熔化或SLM来构建。然后研究了钛合金支架的微观结构、力学性能和孔隙率。多孔Ti-6Al-4 V支架的压缩试验在INSTRON试验机上进行，载荷为25 kN，结果发现，立方体、星形和八边形支架的弹性模量分别为10.78 GPa、9.29 GPa和8.61 GPa，与人骨的弹性模量(3-30 GPa)相近。这项工作主要关注多孔钛支架的优点和性能，以满足骨科应用的需要。

  通过优化工艺参数，可以在SLM过程中控制多孔Ti64合金支架的微观结构，这些工艺参数为:激光功率340 W，扫描速度1250 mm/s，粉末层厚度0.12 mm，开口间距0.06 mm。AM制造的支架的孔隙率比设计的支架略低，因为在制造过程中金属粉末附着在支架壁上。星形样品的孔隙度误差百分比最低，而立方体样品的孔隙度误差百分比最高。孔隙率和激光功率随着扫描速度的增加而增加，而孔隙率随着激光功率的增加而减少。随着支柱厚度的增加，极限抗压强度增加，并且已经发现立方体型支架的最高极限抗压强度为87.26 MPa，支柱高度为551.57 lm，相当于人骨。人造支架的有效弹性模量与人骨非常相似，这将降低应力屏蔽效应，但抗压强度高于人骨，这将延长植入物的寿命，并可成功应用于生物医学领域。