基于3D打印的钛合金-生物陶瓷复合结构人工骨支架设计

杨文静，王　娟，乌日开西·艾依提，滕　勇

（1.新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2.中国人民解放军兰州军区乌鲁木齐总医院全军骨科中心，新疆乌鲁木齐830000）

基于3D打印的钛合金-生物陶瓷复合结构人工骨支架设计

杨文静1，王娟1，乌日开西·艾依提1，滕勇2

（1.新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2.中国人民解放军兰州军区乌鲁木齐总医院全军骨科中心，新疆乌鲁木齐830000）

为了研究钛合金网架的置入对所设计的钛合金-生物陶瓷复合结构人工骨支架的影响，利用Ansys软件建立了钛合金网架、生物陶瓷支架及复合结构人工骨支架，分析了复合结构的力学性能，以及钛合金网架的横梁和立柱的直径及受力面积对支架力学性能的影响。结果表明：钛合金网架结构的置入有助于提高复合结构支架的力学性能，增加钛合金立柱的列数与直径有助于提高生物陶瓷支架的力学性能。

3D打印；复合结构；人工骨支架

3D打印技术可用于制作任意形状的零件，与传统的组织工程支架制备方法（如纤维粘接法、相分离法、溶液浇铸/粒子析出法［1-3］）相比，能很好地保证支架内部微管道结构及其连通性，已成为组织工程化人工骨支架的一个主要的制备手段。

骨组织工程要求支架具有高孔隙率以便组织长入和支架自身降解，同时还需支架具有一定的力学强度，为细胞提供支撑作用及保持结构的稳定性和安全性。常用的骨组织工程支架材料有聚合物、生物陶瓷、钛合金等，但这种单一材料的组织工程支架在生物相容性或力学性能上存在局限性。本文研究复合结构人工骨支架，使其同时具有成骨性能和力学性能，其中β-TCP（β-磷酸三钙）生物陶瓷材料具有良好的生物相容性和降解性等优点［4］，但其力学性能不足，不能满足大段骨缺损对人工骨支架的力学强度要求，而多孔钛合金材料力学性能较好，但其成骨性能相对较差［5-7］。

本文设计在β-TCP支架结构中置入Ti-6Al-4V网架结构的复合人工骨支架，分析其力学性能，并对复合结构中钛合金网架的横梁和立柱的直径进行优化设计。

1　复合结构人工骨支架的有限元分析

1.1复合结构支架有限元模型的建立

利用Ansys Workbench的DM模块建立骨组织工程复合结构支架的三维模型。生物陶瓷支架结构的外形特征尺寸为7.2 mm×7.2 mm×7.2 mm，内部微孔道为正交结构，截面为圆形，初始尺寸为微孔直径0.5 mm，微孔间距1.8 mm（图1a）。图1b是置入支架结构中的Ti-6Al-4V网架，其横梁和立柱的直径均为0.5 mm，层间距为1.8 mm。

图1　人工骨支架的复合结构模型

将建好的支架模型导入Mechanical模块进行分析。分别对β-TCP结构和Ti-6Al-4V网架结构设置材料属性，β-TCP材料的弹性模量为2.8 GPa［8］、Ti-6Al-4V材料的弹性模量为110.74 GPa，泊松比均为0.3［9］，钛合金和生物陶瓷间定义为粘结接触。为了提高计算精度，分别对生物陶瓷和钛合金的网格划分进行了相应的设置。

1.2复合结构支架等效应力和变形分析

在支架上表面施加表观应变3000 με的压缩载荷，方向为垂直于模型上表面向下，选择下表面为固定约束。

对Ti-6Al-4V/β-TCP复合结构进行有限元分析，提取支架的应力分布和变形分布情况。图2是复合结构支架在压缩载荷下的等效应力和总变形分布。可看出，应力分布主要集中在钛合金网架上面，生物陶瓷β-TCP结构上的应力分布相对较小，但其变形更明显。

图2　复合结构的应力和变形分布

1.3复合结构与单一结构应力和变形对比分析

为对比分析加入钛合金网架后对生物陶瓷支架力学性能的影响，采用相同的载荷条件，分别对β-TCP结构、Ti-6Al-4V网架结构和Ti-6Al-4V/β-TCP复合结构进行有限元分析，提取支架的应力分布和变形分布情况。

图3是复合结构中β-TCP结构的等效应力和总变形分布图，相同载荷条件的单一β-TCP结构的等效应力和总变形分布见图4。对比分析可看出，加入钛合金网架结构后，支架β-TCP结构的应力和变形分布均产生了变化，最大等效应力和最大总变形分别减小了17.1%和33.9%，表明钛合金网架的置入有助于提高β-TCP结构的力学性能。

图5是复合结构中Ti-6Al-4V网架结构的等效应力和总变形分布图，相同载荷条件下的单一Ti-6Al-4V网架结构的等效应力和总变形分布见图6。对比分析可看出，复合结构中的钛合金支架应力分布与单一钛合金支架应力分布趋势不同，单一钛合金支架应力主要集中在立柱及立柱与横梁相交处，且分布基本均匀；而复合结构中钛合金网架应力分布呈现不同的趋势，立柱应力非均匀分布，而是由上向下呈递增趋势，支架的总变形分布类似。

图3　复合结构中β-TCP结构的应力和变形分布

图4　单一β-TCP结构的应力和变形分布

图5　复合结构中Ti-6Al-4V结构的应力和变形分布

图6　单一Ti-6Al-4V结构的应力和变形分布

上述分析结果均表明，钛合金网架结构的置入有助于提高β-TCP结构的力学性能。

2　Ti-6Al-4V网架结构的优化设计

2.1网架结构的横梁和立柱的直径影响

初始模型中，Ti-6Al-4V网架的横梁和立柱的直径均为0.5 mm，X、Y向横梁的直径对支架力学性能的影响也是一致的。根据表1所示的网架参数，分别改变X向横梁和Z向立柱的直径，对其进行有限元分析，定义最大等效应力、最大总变形为支架的状态参数。

表1　Ti-6Al-4V网架结构的参数mm

对上述模型在相同压缩载荷条件下进行分析，提取复合支架模型中β-TCP结构的最大等效应力、最大总变形及Ti-6Al-4V网架的受力面积，计算结果见表2。

表2　模型计算结果

图7是复合结构中钛合金网架的Dx、Dz与复合结构中β-TCP最大等效应力的关系图。可看出，最大等效应力随着Dz、Dx的增加而减小；当Dz、Dx 从0.1 mm增加到0.9 mm时，最大等效应力分别减小38.1%和6.8%，表明钛合金网架立柱直径的影响相对较大，设计时可适当增加该直径值。

图7　网架横梁、立柱直径与β-TCP结构等效应力的关系图

图8是复合结构中钛合金网架的Dx、Dz与β-TCP结构变形的关系图。可看出，随着Dx、Dz的增加，复合结构中β-TCP结构的最大总变形基本呈线性减小趋势；当Dz、Dx从0.1 mm增加到0.9 mm时，β-TCP结构的最大总变形减小37.1%和8.2%，表明钛合金网架的立柱直径对β-TCP结构的影响相对较大，设计时可适当增加该直径值。

2.2网架结构影响的综合分析

为深入分析复合结构支架的力学性能与置入Ti-6Al-4V网架的关系，对上述计算结果进行综合分析。

2.2.1网架结构受力面积与β-TCP结构最大等效应力和总变形的关系

Ti-6Al-4V网架的受力面积与β-TCP结构最大等效应力、最大总变形的对应关系见图9。可看出，随着受力面积的增加，最大等效应力总体呈递减的趋势，当受力面积从0.07 mm2增加到5.7 mm2时，最大等效应力减小了38.1%；且最大总变形也随着受力面积的增加而逐渐减小。

图8　网架横梁、立柱直径与β-TCP结构总变形的关系图

图9　钛合金网架受力面积与β-TCP结构等效应力、总变形的关系图

分析结果显示，随着Ti-6Al-4V网架受力面积的增加，β-TCP结构的最大等效应力和最大总变形均减小，支架的力学性能增强。因此，可通过适当增加Ti-6Al-4V网架结构的立柱直径或数量以增大受力面积，进而提高支架的力学性能。

2.2.2网架结构立柱的数量及直径与β-TCP结构最大等效应力和总变形的关系

Ti-6Al-4V网架结构的受力面积是由立柱的数量和直径决定的，为此，对钛合金支架立柱的数量和直径进行进一步研究，分析其对支架力学性能的影响。

为了避免分析过程中的误差，设计表3所示的4组对照模型，每组设计3个立柱的数量和直径不同、但受力面积相同的支架模型，具体方法为：设计Ti-6Al-4V网架结构的立柱数量分别为9、6、4根，相应地调整立柱直径，以使钛合金结构的受力面积相同，由此得到对应的计算结果。可看出，β-TCP结构的最大总变形均呈减小趋势，但最大等效应力未呈现出相同的规律。

表3　相同受力面积的支架模型及计算结果

3　结论

本文对Ti-6Al-4V/β-TCP复合结构人工骨支架的内部结构进行了设计，分析了复合结构中Ti-6Al-4V网架结构的横梁和立柱的直径及受力面积对复合支架力学性能的影响，得到如下结论：

（1）增加Ti-6Al-4V网架横梁的直径、立柱的列数和直径有助于提高支架的力学性能，且立柱的列数和直径对支架力学性能的影响相对较大。

（2）支架的力学性能与复合结构中Ti-6Al-4V网架结构的受力面积有关，且随着受力面积的增加，支架的力学性能增强。因此，可通过适当增加立柱的直径和数量以增大Ti-6Al-4V网架的受力面积，进而提高支架的力学性能。

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Design of Ti Alloy-biological Ceramics Composite Structure Artificial Bone Scaffold Based on 3D Printing

Yang Wenjing1，Wang Juan1，Wurikaixi Aiyiti1，Teng Yong2
（1.School of Mechanical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830047，China；2.Orthopedic Center of PLA，Urumqi General Hospital of Lanzhou Military Region，PLA，Urumqi 830000，China）

In order to study the influence of Ti alloy grid on the Ti alloy-biological ceramics composite structure artificial bone scaffold which was designed，the Ansys software was used to build the structure model of Ti alloy grid，biological ceramics scaffold and composite structure artificial bone scaffold.The mechanical properties of composite structure scaffold and the influence of the diameter of the beam and column and the forced area on the mechanical properties of biological ceramics structure in composite structure were analyzed.The result show that Ti alloy grid structure enhanced the mechanical properties of the biological ceramics scaffold，and increase the column numbers and diameter could help to improve the mechanical properties of the biological ceramics scaffold.

3D printing；composite structure；artificial bone scaffold

TH122

A

1009－279X（2016）03－0047-05

2015-11-06

国家自然科学基金资助项目 （51165044，31360229）；西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室开放课题资助项目（sklms2012001）

杨文静，女，1990年生，硕士研究生。