选区激光熔化Voronoi 多孔结构的设计与性能预测

曾寿金，吴启锐，何家辰，韦铁平，叶建华

（1. 福建工程学院机械与汽车工程学院，福建福州350118；2. 苏州大学附属第一医院骨科研究所，江苏苏州215006）

1 引 言

对损伤骨组织进行植入体的置换，一直是医学上常用的方式。临床上常采用力学性能较高的金属植入体进行替换，例如不锈钢、钛和钛合金、钴铬合金等金属植入体［1］，用作人工膝关节、牙种植体、人工骨等［2-3］。但是人工植入体存在着远期无菌松动和再骨折现象，研究人员普遍认为“应力屏蔽”效应［4-5］是其主要原因。“应力屏蔽”效应是指金属人工植入体的弹性模量与人体骨头的弹性模量存在着巨大差异，导致应力无法从人工植入体传递到骨组织上。由于人体骨细胞有着应力响应的生物学特性，人工植入体一端弹性模量较大，会承受较多的应力，骨细胞得不到足够的应力刺激时，骨细胞会发生凋亡，从而对健康骨头产生不良影响［6-8］。

人骨小梁的孔隙率在50%～90%之间，弹性模量为0.5～20 GPa［9］，而实心316L 不锈钢的弹性模量为210 GPa，将实心金属设计成多孔结构能够有效地降低金属材料的弹性模量。因此，华南理工大学杨永强团队［10］研究了正八面体和正六面体单元多孔结构的比表面积、孔隙率、平均孔径对抗压强度和弹性模量的影响。重庆大学柏龙［11］等人基于体心立方（Body-Centered Cubic，BCC）多孔结构设计出一种兼具轻质和高强性能的体心四方（Body-Centered Tetragonal，BCT）多孔结构，发现BCT 多孔结构比BCC 在力学上有着更加明显的优势，为多孔结构在工程领域的应用提供了力学理论依据。……