【AMF论文推荐】重庆大学唐倩教授团队：多孔骨支架增材制造

引用论文

Shuai Ma, Qian Tang, Changbao Zhu, Fuyou Wang, Qixiang Feng, Jun Song, Rossitza Setchi, Chenglong Ma, Ran Tao. Laser Powder Bed Fusion-built Ti6Al4V Bone Scaffolds Composed of Sheet and Strut-based Porous Structures: Morphology, Mechanical Properties, and Biocompatibility. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2022, 1(4): 100055.

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100051.

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研究现状

骨骼对人体至关重要，起着支撑人体、支持运动等重要功能，而意外事故、运动损伤、手术治疗等原因将会导致骨缺损。常见的治疗方式是在骨缺损处植入骨支架，但传统实心金属骨支架有着重量大、力学强度过高等缺点，易导致骨质疏松、甚至严重影响术后恢复效果。

增材制造制备的金属多孔骨支架有着轻量化、力学强度可调、允许新生骨细胞向内长入、可根据患者情况个性化设计等特点，受到了研究人员的广泛关注。其中，骨支架的多孔结构类型选择对骨修复效果尤为重要。三重周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface，TPMS）结构由于形态由隐函数严格控制、表面积大允许细胞生长、平均曲率为零（与人骨相似），被认为是多孔骨支架的理想填充结构，有望提升术后骨修复效果。

但TPMS结构根据在空间内的实体化方式不同，同一隐函数方程可建立杆状、面状两种类型的结构，其力学特性、破坏形式、骨修复效果等均存在差异。为了深入研究杆状、面状结构的差异，本研究以典型的TPMS结构之一，Schwarz-P结构为例，用钛合金（Ti6Al4V）分别制备并研究了杆状、面状Schwarz-P多孔骨支架在上述方面的差异。其研究结果加深了对TPMS结构的理解，可为不同受损情况下的多孔骨支架设计提供选型指导。

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论文亮点

① 对比了两种形式结构在力学行为上的差异；

② 分析了杆、面状结构的失效形式及断裂方式；

③ 揭示了两种形式结构在体内骨修复中对细胞分化影响的差异。

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试验方法

本研究采用选择性激光熔化技术制备了孔隙率从60%至85%的钛合金Schwarz-P杆状及面状骨支架。随后对骨支架的成形尺寸、孔隙率、致密度和表面形貌等进行了研究；通过压缩试验分析骨支架的弹性模量、屈服强度、第一峰值应力、能量吸收量、破坏形式等；最后在贵州小香猪的股骨和胫骨制备6-7 mm深的骨缺损，将骨支架植入缺损处并体内培养一个月，随后通过Masson染色、天狼星红染色观察骨支架-组织切片，分析骨修复效果。

图1 杆状（上）及面状（下）Schwarz-P结构设计方式

图2 多孔骨支架体内植入过程（由陆军军医大学西南医院王富友教授团队完成）

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结果

在制造质量方面，两种形式的结构的成形后孔隙率均低于设计值，但面状结构的误差波动更小。同孔隙率的条件下，面状结构具备更高的弹性模量、屈服强度、能量吸收量。杆状结构失效形式为逐层断裂破坏，面状结构为沿45°剪切带破坏。动物体内实验表明，面状结构促进软骨组织的生长，而杆状结构利于骨组织的长入，此外，具备高孔隙率的骨支架和靠近宿主骨骨组织的部位更利于骨修复。

图3 杆状（上）和面状（下）Schwarz-P骨支架压缩破坏过程

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结论

本研究通过建立和制备Schwarz-P结构的面状和杆状形式结构，系统的分析了它们在制造、力学、破坏、和骨修复效果上的差异，加深了对TPMS结构的理解，为不同骨缺损情况的多孔结构选择提供了参考。

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前景与应用

在对杆状和面状结构各项性能差异的研究基础上，未来将进一步研究结合杆、面状结构优势的新型融合多孔结构设计，并在其力学性能、物质传输等性能上展开研究，以期进一步设计出兼顾力学与生物相容性的新型多孔结构，研究成果可用于临床的骨缺损修复。

团队带头人介绍

唐倩（团队带头人），工学博士，博导，现任重庆大学机械与运载工程学院教授；多伦多大学访问学者；重庆市高等学校巴渝学者特聘教授；重庆市百名工程技术高端人才培养计划先进制造领域培养入选者；重庆市增材制造产业协会医学3D打印分会委员；长期从事金属增材制造、智能制造技术与装备、工业大数据等方面的研究。作为项目负责人和主研人，主持和参与了国家重点研发计划项目、科技部国家科技支撑计划项目、工信部智能制造专项、国家自然科学基金面上/重点项目、科技部国际科技合作计划项目、重庆市科技计划重大重点项目20余项，同时累计承担横向课题40余项；相关研究成果以第一作者、通讯作者身份合计发表论文60多篇，其中SCI/EI收录40余篇；作为第一专利权人的已授权国家专利22余项，其中发明专利18项；研究成果获省部级科技进步奖4项，省部级教学成果一等奖一项。

作者介绍

马帅（本文第一作者），重庆大学与英国Cardiff University联合培养工学博士，重庆大学校优秀毕业生，现任重庆理工大学机械工程学院讲师，陆军军医大学西南医院博士后。从事增材制造的多孔结构力学行为、物质传输性能、生物相容性，及其在骨植入物方面应用等研究。发表SCI/EI论文16篇，其中一作论文6篇，Google Scholar 累计引用300余次，作为主研人参与国家自然科学基金面上项目、青年基金等多项国家项目。相关研究成果分别在13th ICFDM和41st ASME-CIE会议上获得优秀会议论文奖、Graduate Research Poster Award。

团队研究方向

增材制造结构设计及工艺优化、智能制造。

近年团队发表文章

[1] Mengxia Jin, Qixiang Feng, Xiaojie Fan, Zhichao Luo, Qian Tang, Jun Song, Shuai Ma, Yunfei Nie, Peng Jin, Mingqiang Zhao. Investigation on the mechanical properties of TPMS porous structures fabricated by laser powder bed fusion [J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 76: 559-574. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.02.035.

[2] Xiaojie Fan, Qian Tang, Qixiang Feng, Shuai Ma, Jun Song, Mengxia Jin, Fuyu Guo, Peng Jin. Design, mechanical properties and energy absorption capability of graded-thickness triply periodic minimal surface structures fabricated by selective laser melting [J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2021, 204: 106586. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2021.106586.

[3] Shuai Ma, Qian Tang, Xiaoxiao Han, Qixiang Feng, Jun Song, Rossitza Setchi, Ying Liu, Yang Liu, Athanasios Goulas, Daniel S.Engstrøm, Yau YauTse, Ni Zhen. Manufacturability, mechanical properties, mass-transport properties and biocompatibility of triply periodic minimal surface (TPMS) porous scaffolds fabricated by selective laser melting [J]. Materials & Design, 2020, 195: 109034. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109034.

[4] Shuai Ma, Qian Tang, Ying Liu, Qixiang Feng. Prediction of Mechanical Properties of Three-Dimensional Printed Lattice Structures Through Machine Learning [J]. Journal of Computing and Information Science in Engineering, 2022, 22(3): 031008. https://doi.org/10.1115/1.4053077.

[5] Peng Jin, Qian Tang, Jun Song, Qixiang Feng, Fuyu Guo, Xiaojie Fan, Mengxia Jin, Fuyou Wang. Numerical investigation of the mechanism of interfacial dynamics of the melt pool and defects during laser powder bed fusion[J]. Optics & Laser Technology, 2021, 143: 107289. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107289.

[6] Peng Jin, Qian Tang, Kun Li, Qixiang Feng, Zhihao Ren, Jun Song, Yunfei Nie, Shuai Ma. The relationship between the macro-and microstructure and the mechanical properties of selective-laser-melted Ti6Al4V samples under low energy inputs: Simulation and experiment [J]. Optics & Laser Technology, 2022, 148: 107713. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107713.

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[9] Jun Song, Qian Tang, Qixiang Feng, Quanquan Han, Shuai Ma, Hao Chen, Fuyu Guo, Rossitza Setchi. Effect of remelting processes on the microstructure and mechanical behaviours of 18Ni-300 maraging steel manufactured by selective laser melting [J]. Materials Characterization, 2022, 184: 111648. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2021.111648.

[10] Jun Song, Qian Tang, Hao Chen, Zhiqing Zhang, Qixiang Feng, Mingqiang Zhao, Shuai Ma, Rossitza Setchi. Laser powder bed fusion of high-strength maraging steel with concurrently enhanced strength and ductility after heat treatments[J]. Materials Science and Engineering: A, 2022, 854: 143818. https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143818.

作 者：马 帅

责任编辑：谢雅洁

责任校对： 向映姣

审 核：张 强

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