洞悉3D打印带镂空结构植入物的现状、趋势与机遇

根据3D科学谷的了解，点阵结构的性能具有很高的设计灵活性。通过调整点阵的相对密度、单胞的构型、连杆的尺寸，达到结构的强度、刚度、韧性、耐久性、静力学性能、动力学性能的完美平衡。点阵结构比强度和比刚度高，在低密度结构中有较大的力学性能优势。与传统的固体材料相比，金属点阵材料的密度大大降低，具有相同性能的点阵结构可以减重达70%以上。与金属泡沫材料相比，金属点阵结构性能上可控制，强度和模量比金属泡沫材料高出一个量级，承载效率更高。

在骨科植入物方面，多孔结构可以根据它们的孔隙连通性（开放和封闭孔隙）以及孔隙拓扑和尺寸的规律性（随机和非随机）进行分类。有序的孔形状满足细胞向内生长所需的互连性，从而促进与宿主组织的整合。具有非随机设计的多孔结构涉及基于点阵晶格和 TPMS 的晶胞。为了满足机械生物学构象和多孔植入物与宿主骨组织的可靠整合，需要优化诸如孔形状、孔径、孔隙率、孔互连性和微拓扑表面特征等物理特性。本期，3D科学谷与谷友一起来洞悉3D打印带镂空结构的植入物的现状、趋势与机遇。

▲金属点阵结构制造技术

©3D科学谷

小细节、大机遇

在3D打印应用领域，点阵结构被应用于多种场合，包括提高热交换器和散热器的热交换效率，提高阻尼材料的抗震缓冲能力，优化骨科植入物的生物学和力学性能，降低航空航天零件的重量等等。 小点阵，大作用，点阵成为学习3D打印的MUST。 3D科学谷

随机拓扑

随机多孔结构（称为泡沫）涉及具有随机形状和尺寸分布的孔，尽管它们的孔隙分布是随机的，但制造参数可用于控制孔隙形状和孔径。还通过计算机建模和数学算法为 AM增材制造工艺来设计随机结构。

▲图：随机结构支架的设计策略。(A) 基于连接设计体积中的随机点的孔隙度设计。(B) (i) 二维 (2D) 和 (ii) 三维 (3D) 中的 Voronoi-tessellation (iii) 基于 3D Voronoi-Tessellation 的设计步骤和 (iv) 控制随机几何形状的不规则性。

©Elsevier，美国化学学会

请注意，天然骨微结构由具有不同厚度和不均匀孔径的支柱组成。为了更好地模拟骨骼的自然结构，许多研究都集中在通过在空间上改变晶胞大小、支柱厚度和孔隙率来设计功能分级的异质随机植入物。

为了设计具有受控属性的随机模型，引入了一种基于自顶向下设计方法和概率球的新 Voronoi 方法。在所提出的模型中，随机结构的孔隙率可以逐渐横向变化，这可以通过孔隙球的梯度分布来说明。梯度机械性能也可以通过在 AM 过程中改变激光参数来实现，从而产生具有不同厚度分布的支柱，骨样随机结构也可以受到天然骨组织的启发。

晶格结构

晶格结构被定义为包含在 3D 空间中重复对齐的互连支柱或板阵列的复杂架构。在金属植入物结构中加入晶格结构使构造物具有接近周围骨组织的机械性能。此外，晶格结构构成了相互连接的孔结构，允许细胞向内生长和更好的组织整合。3D科学谷了解到具有简单几何形状的晶格结构已经使用传统的制造技术制造，例如水射流切割、铸造、化学镀和电沉积。但是，这些技术非常耗时、昂贵，并且无法制造高分辨率的复杂结构。

众所周知的晶格拓扑的示例包括立方、八面体和截断。然而，使用金属增材制造技术，可以以较低的成本和时间制造高分辨率和复杂形状的薄支柱和晶格几何形状。尽管金属增材制造具有非常小的特征（例如，在 LPBF 的情况下小于 100–150 μm），但制造的结构与 CAD 模型的偏差通常足够低，可以忽略或通过后处理进行补偿并且通常实验数据可以通过模拟得到可靠的验证。晶格结构可以通过各种 CAD 软件（如 Solidworks、Meshmixer、MATLAB 等）进行建模，晶格网络的建模允许在整个相对密度范围（零到 100%）内设计支架，而不会失去互连性。

然而，3D科学谷了解到目前设计具有大量图案化晶胞的高度合并晶格结构的灵活性较差，计算成本很高。同样，缺乏兼容的有限元软件来分析具有大晶胞代表的模型。

▲图：增材制造金属晶格结构的示例和机械性能。(A) 著名的格网络拓扑示意图。(B) 单元格用红色矩形标记，孔径在每个晶格设计中用蓝色圆圈表示。(C) (i) 立方体和 (ii) 金刚石晶格的应力-应变曲线。(iii) 各种常规晶格结构的屈服强度和弹性模量随相对密度的变化而变化。经参考许可转载。 (D) (i) 拉胀和 (ii) 常规晶格的应力-应变曲线。

©Elsevier，美国化学学会

基于晶格的结构的物理特性很大程度上取决于孔特性的设计（即孔径、孔形状和相对密度）。已经进行了几项研究来说明几何参数对晶格结构的机械性能和渗透性的影响。就孔隙率而言，很明显，渗透率随着孔隙率的增加而增强，而抗压强度和弹性模量与孔隙率成反比。需要优化方法和设计图来解决这种相互冲突的设计要求。格子支柱的机械性能与其失效机制相关。例如，立方体和截断立方体晶胞类型被归类为以拉伸为主的结构，其中压缩破坏以逐层坍塌机制为主。在这些结构中，内部连杆的方向与加载方向一致。相反，像金刚石这样的晶胞类型由相对于加载方向倾斜的对角支柱组成。这些结构被称为以弯曲为主的结构，其中压缩破坏通常源于穿过多孔结构的渐进剪切带。

一般来说，与以拉伸为主的结构相比，以弯曲为主的孔隙形状具有较低的弹性模量和抗压强度，这种行为归因于金属在轴向变形与剪切变形下的强度通常较大。使用钛基支架的有限元模拟，还通过实验和数值证实了相对于金刚石更大的立方孔份额强度。一般来说，相对密度较低的多孔结构的渗透率对孔隙形状更敏感。

请注意，传统的块状材料以及大多数晶格结构通常以正泊松比为特征。最近的趋势强调拉胀超材料（负泊松比），其中结构在受到压缩载荷时横向收缩。拉胀多孔结构为多孔植入物结构的设计提供了许多机会。在一项研究中证明了在相同的相对密度下，与传统结构相比，使用 LPBF 基于粉末床的激光选区熔化金属3D打印技术制造的拉胀结构显示出更高的断裂前应力和更高的极限抗压强度。

三重周期最小曲面

三重周期最小曲面 (TPMS) 是平滑的无限曲率曲面，平均曲率为零，将 3D 空间划分为两个共连续相。与晶格结构类似，基于 TPMS 的设计允许调整机械性能以使植入物与宿主组织相匹配，并且还允许组织向内生长以获得更好的完整性和耐用性。可以在数学上定义各种孔隙形状、孔隙率和晶胞尺寸并将其应用于每个晶胞，这些晶胞可以沿全局轴进行图案化。

▲图 . 通过金属增材制造 (AM) 技术制造的基于三周期最小表面 (TPMS) 的支架的机械特性。(A) 具有各种相对密度的固体和基于薄片的陀螺拓扑。(B) (i) Schwarz P (P)、陀螺仪 (G) 和金刚石 (D) 晶胞几何形状。孔径以黄色显示。(ii) 相对压缩模量随孔隙率变化和 (iii) 表面积随晶胞尺寸变化。(C) (i) P、G 和 D 支架的失效机制。(ii) 弹性模量和抗压强度随相对密度而变化。(iii) 具有不同晶胞尺寸的 D 面支架的应力-应变曲线。

©Elsevier，美国化学学会

与晶格网络类似，不仅可以设计孔隙形状，还可以设计相对密度和比表面积来调整 TPMS 设计中的机械性能，TPMS 实体网络也可以分为以拉伸为主的（例如 P 面）和以弯曲为主的（例如 G 面和 D 面）。因此，TPMS 结构的失效机制可以通过 45° 剪切带形成（主要在弯曲主导结构中）或逐层塌陷（主要在拉伸主导结构中）来表征，这些结构的典型压缩应力-应变曲线遵循典型多孔材料的曲线，其中它以弹性线性区域开始，随后是对应于内层逐渐失效的波动。

具有直支柱和急转弯和拐角（没有统一的过渡表面）的立方支柱格子在增材制造工艺中表现出较差的可制造性（特别是对于大晶胞尺寸和低体积分数的水平支柱）。这些特征还可能导致长悬垂特征的热变形。3D科学谷了解到TPMS 结构由于其光滑的表面和均匀的曲率而增强了增材制造能力，可以实现自支撑制造。此外，与具有光滑弯曲表面的 TPMS 支架相比，具有尖角的立方形支柱晶格显示出更高的应力集中，有研究发现TPMS 结构与晶格结构相比具有优越的机械和生物学特性。

另一项研究显示，与晶格结构相比，基于 TPMS 的支架显示出更高的渗透性，此外，体外研究证实，与传统盐浸（随机设计）制造的支架相比，开放的、相互连接的 TPMS 结构显示出改善的细胞向内生长。

l 参考资料：“Additively manufactured metallic biomaterials”

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