骨再生用足場材料としての機能傾斜ハイブリッドTPMS構造の力学特性に関する研究

科学分野:

• 生体材料工学
• 積層造形
• 機械工学

背景:

• 三次元周期最小曲面（TPMS）構造は、高い表面積体積比やエネルギー吸収などの望ましい特性を提供する。
• 天然骨構造（海綿骨および皮質骨）の模倣は、効果的な骨足場材料の開発に不可欠である。
• 機能傾斜は、積層造形構造における力学性能と多孔性を調整することができる。

研究 の 目的:

• ハイブリッドTPMS構造の力学特性、エネルギー吸収、表面積体積比（S/V）に対する機能傾斜の影響を調査すること。
• 骨足場用途に最適な内部および外部TPMS構造と充填密度の組み合わせを決定すること。
• 天然骨の特性を密接に模倣するハイブリッド構造を作成すること。

主な方法:

• 内部（海綿骨着想）および外部（皮質骨着想）のTPMSアーキテクチャを組み合わせてハイブリッド構造を設計した。
• 実験パラメータを設定するために、実験計画法（DoE）アプローチとタグチ法を採用した。
• マスクド・ステレオリソグラフィ（mSLA）3Dプリンティングとバイオレジンを使用して標本を作製し、圧縮試験を実施した。

主要な成果:

• ハイブリッド構造は、TPMSの種類に応じて、せん断帯形成や脆性破壊を含む様々な変形挙動を示した。
• ND specimen configurationは、最大の力（23.77 kN）と優れたエネルギー吸収を達成した。
• 充填密度の増加はS/V比を低下させたが、他の力学パラメータを向上させ、強度と多孔性のトレードオフを強調した。

結論:

• 機能傾斜は、骨足場用途にハイブリッドTPMS構造を最適化するための実行可能なアプローチである。
• ND構成は、骨の模倣に適した有望な力学強度とエネルギー吸収を示した。
• 高度な骨足場代替物を開発するためには、力学強度と多孔性の最適化が重要である。