探索生物医学应用的三次周期最小表面结构的最佳机械性能:数值分析
Babak Ziaie1, Xavier Velay2, Waqas Saleem3
1Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, Atlantic Technological University, Ash Lane, Sligo, F91 YW50, Ireland; Centre for Precision Engineering Material and Manufacturing Research (PEM Research Centre), Atlantic Technological University, Ash Lane, Sligo, F91 YW50, Ireland; Centre for Mathematical Modelling and Intelligent Systems for Health and Environment (MISHE), Atlantic Technological University, Ash Lane, F91 YW50 Sligo, Ireland.
Journal of the mechanical behavior of biomedical materials
|October 4, 2024
概括
三重周期性最小表面 (TPMS) 结构,非常适合生物医学植入物,显示出有前途的机械性能. 确定了最佳单元细胞大小和多孔性,以增强骨整合和细胞播种.
科学领域:
- 生物材料工程 生物材料工程
- 增材制造 增材制造 增材制造
- 计算力学 计算力学 计算力学
背景情况:
- 增材制造 (AM) 技术,如选择性激光化 (SLM) 和电子束化 (EBM),使生物医学植入物具有复杂的多孔结构.
- 三重周期性最小表面 (TPMS) 设计 (甲状腺,钻石,原始) 与固体植入物相比,提供更好的生物相容性和机械性能,减轻了应力屏蔽等问题.
研究的目的:
- 分析TPMS结构 (甲状腺,钻石,原始) 在固体和板状网络形式的机械行为.
- 确定最佳的形态参数 (毛孔大小,单元细胞大小,多孔性) 用于生物医学应用,如细胞播种和骨质整合.
- 将TPMS结构的机械特性与宿主骨特性进行比较.
主要方法:
- 用有限元法 (FEM) 分析来建模和评估六个TPMS结构.
- 结构模型采用单位细胞大小为1,1.5,2和2.5毫米,孔隙度从50%到85%.
- 测量了关键的机械性能,包括弹性模量和收益强度.
主要成果:
- TPMS设计促进单元细胞大小 (1-2.5毫米),产生适合生物医学植入物的孔隙大小 (300-1500微米).
- 弹性模块在1.5至33.8GPa之间,在研究的孔径谱中,度强度在20至304.5MPa之间.
- 单元细胞大小对机械性能的影响最小;然而,较低的孔隙度与增加的制造缺陷相关.
结论:
- TPMS结构为生物医学植入物应用提供可调节的机械性能.
- 建议使用2.5毫米的单元细胞大小来实现所需的孔径 (500-1000微米) 和最小壁厚 (150微米).
- 进一步的研究应该专注于优化AM过程,以尽量减少与较低孔隙TPMS结构相关的缺陷.
