面向骨科植入物的仿生多孔结构设计与制造方法

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2022.23.008

摘要/Abstract

摘要： 采用激光选区熔化及陶瓷光固化技术制备了具有多孔特征的金属骨支架与陶瓷骨支架，采用压缩试验评价了两种骨支架的力学性能，采用体外培养MC3T3-E1细胞的方式评估了骨支架的生物相容性。研究结果表明，支架不规则度和孔隙率的变化均会影响支架的力学性能与生物性能；金属支架具有更优良的力学性能，陶瓷支架具有更接近松质骨的力学性能；不规则孔隙有助于细胞附着，使骨支架具有更好的生物相容性。

关键词: 支架, 增材制造, 多孔结构, 力学性能, 生物相容性

Abstract: The selective laser melting and ceramic digital light processing methods were adopted to fabricate metal scaffolds and ceramic scaffolds with porous structures. The compression test was employed to evaluate the mechanics behaviors of the scaffolds. The in vitro cultivation of MC3T3E1 cells was used to evaluate the biocompatibility of the scaffolds. The test results show that the irregularity and porosity are influential to the mechanics properties and biocompatibility； metal scaffolds have better mechanics properties， while ceramic scaffoldsis are closer to the cancellous bones； the irregular pores show better performance of cell adhesion which improves the biocompatibility of the scaffolds.

Key words: , scaffold, additive manufacturing, porous structure, mechanics property, biocompatibility

中图分类号:

TG665
TH164

焦晨, 晁龙, 朱磊, 沈理达, 梁绘昕, 戴宁, 王长江, 孙骏. 面向骨科植入物的仿生多孔结构设计与制造方法[J]. 中国机械工程, 2022, 33(23): 2844-2850.

JIAO Chen, CHAO Long, ZHU Lei, SHEN Lida, LIANG Huixin, DAI Ning, WANG Changjiang, SUN Jun. Design and Manufacture Method of Bionic Porous Structures for Orthopedic Implants[J]. China Mechanical Engineering, 2022, 33(23): 2844-2850.

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参考文献

［1］赵春伶，贾少薇，李剑，等. 基于3D打印多孔支架和植入体的结构设计研究进展［J］. 医用生物力学， 2019， 34（4）：446-452.
ZHAO Chunling， JIA Shaowei， LI Jian， et al. Research Progress in Structural Design of Porous Scaffolds and Implants Based on 3D Printing［J］. Journalof Medical Biomechanics， 2019， 34（4）：446-452.
［2］BARI K， ARJUNAN A. Extra Low Interstitial Titanium Based Fully Porous Morphological Bone Scaffolds Manufactured Using Selective Laser Melting［J］. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials， 2019， 95：1-12.
［3］尤飞，胡庆夕，朱晓锦. 再生骨支架内部结构性能的综合评价［J］. 中国机械工程， 2013， 24（20）：2768-2774.
YOU Fei， HU Qingxi， ZHU Xiaojin. Integrated Evaluation on Inner Structure Performance of a Regenerative Bone Scaffold［J］. China Mechanical Engineering， 2013， 24（20）：2768-2774.
［4］KELLY C N， MILLER A T， HOLLISTER S J， et al. Design and Structure-function Characterization of 3D Printed Synthetic Porous Biomaterials for Tissue Engineering［J］. Advanced Healthcare Materials， 2018， 7（7）：1701095.
［5］HE Jiankang， ZHANG Wenyou， LIU Yaxiong， et al. Design and Fabrication of Biomimetic Multiphased Scaffolds for Ligament-to-bone Fixation［J］. Materials Science & Engineering C-Materials for Biological Applications， 2015， 50：12-18.
［6］TREVISAN F， CALIGNANO F， AVERSA A， et al. Additive Manufacturing of Titanium Alloys in the Biomedical Field：Processes， Properties and Applications［J］. Journal of Applied Biomaterials & Functional Materials， 2018， 16（2）：57-76.
［7］MAJUMDAR T， EISENSTEIN N， FRITH J， et al. Additive Manufacturing of Titanium Alloys for Orthopedic Applications：a Materials Science Viewpoint［J］. Advanced Engineering Materials， 2018， 20（9）：1800172.
［8］刘雨，陈张伟. 陶瓷光固化3D打印技术研究进展［J］. 材料工程， 2020， 48（9）：1-12.
LIU Yu， CHEN Zhangwei. Research Progress in Photopolymerization-based 3D Printing Technology of Ceramics［J］. Journal of Materials Engineering， 2020， 48（9）：1-12.
［9］ZHANG Jiumeng， HU Qipeng， WANG Shuai， et al. Digital Light Processing Based Three-dimensional Printing for Medical Applications［J］. International Journal of Bioprinting， 2020， 6（1）：12-27.
［10］LIU Yujing， LI Shujun， WANG Haoliang， et al. Microstructure， Defects and Mechanical Behavior of Beta-type Titanium Porous Structures Manufactured by Electron Beam Melting and Selective Laser Melting［J］. Acta Materialia， 2016， 113：56-67.
［11］DAI Nianwei， ZHANG Laichang， ZHANG Junxi， et al. Corrosion Behavior of Selective Laser Melted Ti-6Al-4V Alloy in NaCl Solution［J］. Corrosion Science， 2016， 102：484-489.
［12］陈威，邹辛祺，史鸿星，等. 生物陶瓷作为人体植入假体应用的研究现状及展望［J］. 中国陶瓷， 2020， 56（1）：5-11.
CHEN Wei， ZOU Xinqi， SHI Hongxing， et al. Current Research Status and Prospect of Application of Bio-ceramics in Body Implants［J］. China Ceramics， 2020， 56（1）：5-11.
［13］WANG Zhonghan， WANG Chenyu， LI Chen， et al. Analysis of Factors Influencing Bone Ingrowth into Three-dimensional Printed Porous Metal Scaffolds：a Review［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2017， 717：271-285.
［14］顾嘉骏，焦晨，曹颖，等. 基于光固化的羟基磷灰石3D打印工艺研究［J］. 航空制造技术， 2019， 62（17）：68-72.
GU Jiajun， JIAO Chen， CAO Ying， et al. Study on 3D Printing Process of Hydroxyapatite via Digital Light Processing［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2019， 62（17）：68-72.
［15］王月波，汪焰恩，魏生民，等. 人工骨支架结构设计与实现［J］. 西安工业大学学报， 2012， 32（4）：282-286.
WANG Yuebo， WANG Yanen， WEI Shengmin， et al. Research and Implementation of Artificial Bone Scaffold Structure Design［J］. Journal of Xi′an Technological University， 2012， 32（4）：282-286.
［16］PARK H J， LEE O J， LEE M C. Fabrication of 3D Porous Silk Scaffolds by Particulate（Salt/Sucrose）Leaching for Bone Tissue Reconstruction［J］. International Journal of Biological Macromolecules， 2015， 78：215-223.
［17］祝晓忠，梅炯，倪明，等. 股骨近端骨小梁结构的大体解剖和影像重建分析［J］. 中国修复重建外科杂志， 2019， 33（10）：1254-1259.
ZHU Xiaozhong， MEI Jiong， NI Ming， et al. General Anatomy and Image Reconstruction Analysis of the Proximal Femoral Trabecular Structures［J］. Chinese Journal of Reparative and Reconstructive Surgery， 2019， 33（10）：1254-1259.
［18］李翔. 基于泰森多边形原理构建孔隙网络模型［J］. 价值工程， 2016， 22：172-173.
LI Xiang. Construction of Pore-scale Network Model Based on Tyson Polygon Principle［J］. Value Engineering， 2016， 22：172-173.
［19］张敬乙，刘俭涛，高延征，等. 基于泰森多边形图算法生成人工骨小梁的3D打印加工精度及生物力学性能［J］. 中华创伤杂志， 2020， 36（10）：885-891.
ZHANG Jingyi， LIU Jiantao， GAO Yanzheng， et al. 3D Printing Accuracy and Biomechanical Properties of Artificial Bone Trabeculae Generated by Tyson Polygon Graph Algorithm［J］. Chinese Journal of Trauma， 2020， 36（10）：885-891.
［20］NACHTRAB S， KAPFER S C， ARNS C H， et al. Morphology and Linear-elastic Moduli of Random Network Solids［J］. Advanced Materials， 2011， 23：2633-2639.
［21］LIN Liqiang， WANG Xianqiao， ZENG Xiaowei. Geometrical Modeling of Cell Division and Cell Remodeling Based on Voronoi Tessellation Method［J］. Computer Modeling in Engineering & Sciences， 2014， 98（2）：203-220.
［22］HONDA H， NAGAI T. Cell Models Lead to Understanding of Multi-cellular Morphogenesis Consisting of Successive Self-construction of Cells［J］. Journal of Biochemistry， 2015， 157（3）：129-136.
［23］FANTINI M， CURTO M， De CRESCENZIO F. A Method to Design Biomimetic Scaffolds for Bone Tissue Engineering Based on Voronoi Lattices［J］. Virtual and Physical Prototyping， 2016， 11（2）：77-90.
［24］GOMEZ S， VLAD M D， LOPEZ J， et al. Design and Properties of 3D Scaffolds for Bone Tissue Engineering［J］. Acta Biomaterialia， 2016， 42：341-350.
［25］WANG Kai， QIUMingbo， JIAO Chen， et al. Study on Defect-free Debinding Green Body of Ceramic Formed by DLP Technology［J］. Ceramics International， 2019， 46：2438-2446.
［26］GIBSON L J， ASHBY M F. Cellular Solids：Structure and Properties［M］. Cambridge：Cambridge University Press， 1997：387-428.
［27］李翔，张秀香，戴姣燕，等. 氧化锆陶瓷应力诱导相变增韧机理研究［J］. 粉末冶金技术， 2015， 33（6）：403-406.
LI Xiang， ZHANG Xiuxiang， DAI Jiaoyan， et al. Study on the Mechanism of Stress-induced Phase Transformation Toughening of Zirconia Ceramics［J］. Powder Metallurgy Technology， 2015， 33（6）：403-406.
［28］焦晨，沈理达，顾凯杰，等. 多孔氧化锆陶瓷光固化工艺及压缩性能研究［J］. 航空制造技术， 2019， 62（13）：75-81.
JIAO Chen， SHEN Lida， GU Kaijie， et al. Study on Stereolithography of Porous Zirconia Structures［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2019， 62（13）：75-81.
［29］王军，李婧，杨海林，等. 泡沫浸渍法制备小梁金属及性能［J］. 中南大学学报（自然科学版）， 2012， 43（5）：1684-1689.
WANG Jun， LI Jing， YANG Hailin， et al. Fabrication of Trabecular Metal via Impregnation and Its Properties［J］. Journal of Central South University（Science and Technology）， 2012， 43（5）：1684-1689.
［30］CAO Ying， SHI Tianshu， JIAO Chen， et al. Fabrication and Properties of Zirconia/Hydroxyapatite Composite Scaffold Based on Digital Light Processing［J］. Ceramics International， 2019， 46：2300-2308.
［31］CHENG A， HUMAYUN A， COHEN D J， et al. Additively Manufactured 3D Porous Ti-6Al-4V Constructs Mimic Trabecular Bone Structure and Regulate Osteoblast Proliferation， Differentiation and Local Factor Production in a Porosity and Surface Roughness Dependent Manner［J］. Biofabrication， 2014， 6（4）：045007.

[1]	熊晓晨, 周岩, 周祥曼, 吴海华, 华林, 胡泽启, 秦训鹏, 邓少华. 随动热锤辅助水轮机关键过流部件电弧增材再制造强塑协同调控[J]. 中国机械工程, 2025, 36(12): 3010-3016.
[2]	吕谦, 刘维伟. 增材喷管收扩段磨粒流光整分子动力学仿真与参数优化研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(12): 3017-3022.
[3]	齐英杰, 李伟, 刘增华, 周亚波, 温泽峰. 针对地铁车辆晃动的轨道几何不平顺敏感波长分析[J]. 中国机械工程, 2025, 36(09): 1925-1933.
[4]	杨凯, 王磊, 汤永凯, 刘谋斌, 郭子傲. 面向高端装备的金属激光增材制造技术发展与应用[J]. 中国机械工程, 2025, 36(09): 2068-2080.
[5]	姜峰1, 2, 胡荣辉1, 邓杰东1, 张添1, 黄国钦1, 2, 徐仰立1, 2, 李友生3, 刘超4. 硬质合金刀具增材制造技术发展趋势和展望[J]. 中国机械工程, 2025, 36(06): 1300-1313.
[6]	王亚辉1, 2, 3, 黄亮1, 2, 刘翔1, 2. 固溶处理对锻/增复合成形TC4钛合金件的显微组织和力学性能的影响[J]. 中国机械工程, 2025, 36(06): 1314-1321.
[7]	牛国法1, 纪小刚1, 2, 王炜1, 王广阳1. 柔弹性复合点阵结构面内剪切性能及交互机制研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(05): 1103-1110.
[8]	莫帅1, 2, 3, 黄轩1, 2, 黄祖瑞1, 2, 张伟1. 连续多稳态齿轮元胞机械超结构及其力学性能[J]. 中国机械工程, 2025, 36(04): 857-863，887.
[9]	沈佳兴1, 2, 董建秀2, 范中海2, 于英华2. 防冲吸能液压支架点阵负泊松比吸能结构设计及优化[J]. 中国机械工程, 2025, 36(03): 515-524.
[10]	姜世杰1, 2, 许子沼1, 李曙光1, 王菲1, 黄绪震3. 17-4PH不锈钢材料的金属熔丝成形及其制品力学性能研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(03): 593-603.
[11]	成艾国1, 王超1, 于万元2, 何智成1. 铆钉裂纹对自冲铆接力学性能影响的仿真与试验研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(02): 197-208.
[12]	李旭阳, 代亮成, 池茂儒, 赵明花, 周荻. 电力动车组变刚度转臂节点的半主动控制[J]. 中国机械工程, 2025, 36(01): 160-167,176.
[13]	罗自荣, 徐毓泽, 陈善军, 王圣引, 卢钟岳, 朱一鸣. 2-(U+UPS)PU+UPU平动机器人腿机构设计与力速性能分析[J]. 中国机械工程, 2024, 35(12): 2193-2202.
[14]	吴蒙华1, 姜炳春1, 肖雨晴2, 贾卫平2. 磁场对无掩模定域性电沉积增材制造三维微结构生长模式的影响[J]. 中国机械工程, 2024, 35(11): 2035-2042.
[15]	万步炎1, 2, 彭奋飞1, 2, 3, 金永平1, 2 , 刘德顺1, 2 , 彭佑多1, 2. 海洋探测装备收放缆力学性能研究综述[J]. 中国机械工程, 2024, 35(09): 1521-1533.