用于结构生物医学应用的增材制造的辐射分级不钢格子
Jacob T Spencer1, Wesley J Miller1, Sameehan S Joshi1
1Department of Materials Science and Engineering, University of North Texas, 3940 N Elm St, Denton, TX 76207, USA; Center for Agile and Adaptive Additive Manufacturing, University of North Texas, 3940 N Elm St, Denton, TX 76207, USA.
Journal of the mechanical behavior of biomedical materials
|March 11, 2026
概括
这项研究通过创建模仿骨自然梯度的增材制造格子结构来解决骨植入物中的应力屏蔽问题. 钻石三重周期性最小结构 (D-TPMS) 格子有效地降低了弹性模量,同时保持了类似骨的强度.
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
- 整形外科植入物 整形外科植入物
背景情况:
- 应力屏蔽是骨整合性植入物中的一个关键问题,它是由骨和植入物材料之间的弹性模量不匹配引起的.
- 复制人类骨的自然,辐射分级结构是缓解这种不匹配的关键.
研究的目的:
- 设计和制造具有辐射分级壁厚的增材制造格子结构,以减少应力屏蔽.
- 选择一个最佳的格子几何,平衡强度和有效的弹性模量,以实现骨整合.
主要方法:
- 用有限元素分析来评估七个格子结构,选择钻石三重周期最小结构 (D-TPMS) 以其有利的特性.
- 圆柱形D-TPMS网格样本通过激光粉床融合,使用316L不钢进行增材制造.
- 制造过程的结果是辐射分级的墙壁厚度,从边缘的1.6毫米到中心的0.5毫米不等.
主要成果:
- 与散装316L不钢相比,增材制造的辐射分级D-TPMS网格具有较低的有效弹性模量.
- 该材料保持了与皮层骨相比的有效屈服强度,表明了良好的机械完整性.
- 选择的D-TPMS格子几何学成功地复制了人类骨的辐射分级结构.
结论:
- 通过增材制造制造的半径分级格子结构提供了一个有希望的解决方案,以减少骨整合植入物的应力屏蔽.
- D-TPMS晶格几何结构提供了一个可调节的机械配置文件,可以更好地匹配骨的特性,增强植入物集成.
- 这种方法有可能开发下一代骨科植入物,提高生物相容性和寿命.
