SLA打印制备融合TPMS氧化铝陶瓷支架结构优化设计研究

作     者：薛伟 董天源 黄晨 侯智善 曹宇 魏鑫磊 XUE Wei;DONG Tianyuan;HUANG Chen;HOU Zhishan;CAO Yu;WEI Xinlei

作者机构：温州大学机电学院温州325035 瓯江实验室(再生调控与眼脑健康浙江省实验室)温州325603 温州职业技术学院温州325035 

出 版 物：《硅酸盐通报》 (Bulletin of the Chinese Ceramic Society)

年 卷 期：2024年第43卷第5期

页      面：1784-1795,1821页

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

基　　金：浙江省教育厅科研项目(Y202352143) 温州市基础性公益科研项目(G2023031) 瓯江实验室激光3D打印医疗器械及装备(OJQDSP2022017) 

主　　题：融合TPMS 氧化铝陶瓷支架 有限元仿真 陶瓷3D打印 力学性能 渗透性 

摘      要：三周期最小表面(TPMS)结构具有优异的力学性能与生物医学性能,设计制造合适的TPMS骨支架结构能为骨修复、骨替代、骨愈合的临床治疗提供可能。本文基于人体骨组织结构参数分别设计了以P、G、D三种类型为主的TPMS支架及其不同融合系数K值影响下的融合TPMS支架,采用紫外立体光刻技术(SLA)打印制备了陶瓷生坯,通过脱脂与烧结后处理获得了成型氧化铝陶瓷支架,并对支架模型与成型陶瓷试样分别进行了有限元仿真与实验测试。结果表明:1)陶瓷支架具有相对光滑的表面与较高的成型精度,其整体形态与设计模型基本一致,侧面比顶面稍显粗糙。2)与单类型结构相比,融合TPMS结构支架表现出较好的抗压强度与应力分布。其中,当融合系数K=4时,P与G结构融合支架支架的力学性能最优,抗压强度为71.72 MPa,最大应力与平均应力分别为141.90和13.214 MPa;3)融合结构的渗透性均弱于单类型结构,且不同融合系数K值的结构支架渗透性也不同,结合数值模拟与实验数据,当融合系数K=1、2时,P与G结构、P与D结构融合支架渗透性表现较好。综上,当融合系数K=1时,P与G结构融合支架同时具备较优的力学性能和渗透性,适合作为人体骨支架结构类型。