增材制造Gyroid多孔结构混合梯度对力学及失效特性的影响

骨组织工程支架是治疗骨缺损的重要手段，合适的力学性能是保证多孔结构骨支架与骨组织良好结合的前提，优秀的生物性能则是影响着骨长入和细胞活性的关键因素之一。

为解决骨组织工程中“应力屏蔽”问题、实现多孔结构在多方向上的性能可调控，武汉科技大学朱锟鹏教授、林昕教授团队在Additive Manufacturing Frontiers发表了题为“Effect of Additive Manufactured Gyroid Porous Structure of Hybrid Gradients on Mechanical and Failure Properties. ”的文章。研究采用多元二次函数对Gyroid曲面多孔结构的关键特征参数进行精确调控，设计出多方向上非线性梯度变化的混合梯度多孔结构，能更好地模拟骨骼的非线性梯度力学特性，有效减轻骨支架与人体骨骼之间应力屏蔽的影响。

3D打印非线性梯度变化多孔结构样品

目前多孔结构支架存在单方向上的梯度变化模式，导致了多孔结构仅在某一方向上性能发生改变。混合梯度能使结构在多方向上实现梯度变化，进而在不同加载条件下表现出更优异的力学性能和能量吸收能力。由多元多次函数精确调控的Gyroid混合梯度多孔结构的非线性梯度设计方法，能更好的模拟非线性梯度骨骼特性，减轻应力屏蔽现象。

Gyroid多孔结构内部支柱形貌图：（a）含有径向梯度多孔结构俯视图及支柱的SLM制造过程示意图；（b）不同体能量密度下含有轴向梯度多孔结构侧视图

试验方法

采用选区激光熔化工艺对极小曲面梯度结构模型进行制造，使用超高分辨场发射扫描电子显微镜（SEM）观察多孔结构内部支柱的表面形貌。利用AO-FD600E光学显微镜测量多孔结构内部支柱宽度。采用干重法对多孔结构孔隙率进行测量，研究体能量密度对径向、轴向孔隙率梯度变化的梯度多孔结构成形质量的影响。通过仿真软件对设计的极小曲面混合梯度结构模型的力学性能进行预测，选取合适的特征参数来构建混合梯度极小曲面结构，并通过压缩试验对打印样品进行力学性能测试。

结果

1. 使用光学显微镜测量多孔结构不同方向上的支柱尺寸，相比于设计值，径向40%和轴向20%混合梯度多孔结构在轴向区域细支柱的相对误差为在5.44%~7.55%，低于轴向20%孔隙率梯度多孔结构在相应测量区域支柱宽度值的相对误差13.08%~16.14%。

2. 采用干重法对多孔结构孔隙率进行测量得出，不同工艺参数下打印的相同结构，孔隙率偏差在1.50%以内。同样，在相同工艺参数下打印的不同结构孔隙率偏差在1.50%以内，总体偏差较小。

3. 采用压缩实验方法测量不同体积能量密度参数下多孔结构的力学性能得出，径向40%和轴向20%孔隙率混合梯度结构比轴向20%孔隙率梯度结构弹性模量高18.10%，屈服强度高4.29%，且其有效吸收能量值比均质结构高出20.39%。径向40%和轴向20%混合梯度多孔结构的弹性模量变化范围为4.66 GPa到7.23 GPa，屈服强度变化范围为162.07 MPa到168.12 MPa。当体积能量密度在69.77 J/mm3到80.19 J/mm3之间时，该结构弹性模量和屈服强度变化值低于径向40%梯度多孔结构的弹性模量和屈服强度变化。

图3 不同体能量密度条件下梯度多孔结构成形质量：（a）径向40%孔隙率变化幅度的多孔结构；（b）轴向20%孔隙率变化幅度的多孔结构；（c）径向40%和轴向20%孔隙率变化幅度的多孔结构

图4 T1参数下梯度多孔结构的压缩和能量吸收分析：（a）应力-应变曲线，（b）能量吸收曲线，（c）单位应力效率曲线，（d）能量吸收效率曲线

图5 多孔结构的最大主应力和剪切应力分布：（a）均匀多孔结构，（b）径向孔隙率变化40%的多孔结构；（f） 支柱力的简化模型

结论

体积能量密度不变时，成形细支柱的宽度值误差高于粗支柱，孔隙率混合梯度多孔结构轴向区域支柱的成形误差低于轴向孔隙率梯度多孔结构对应区域支柱的成形误差。径向40%和轴向20%孔隙率混合梯度多孔结构在边缘支柱的宽度值较大，与轴向20%孔隙率梯度的多孔结构相比，孔隙率混合梯度多孔结构的弹性模量提高18.10%，屈服强度提高4.29%。此外，其有效吸收能量值比均质结构高出20.39%。孔隙率混合梯度多孔结构的弹性模量和屈服强度对体积能量密度的敏感性低于径向孔隙率梯度多孔结构。

前景与应用

混合梯度多孔结构可用于过滤和分离液体和气体中的微粒或污染物。由于其多方向的梯度结构，能够提供高效的分离效果。此外，混合多孔结构能够提高传热和传质的效率，因此在热管理和质量传递中有广泛的应用，例如热交换器、吸附剂等。最后，这种混合多孔结构在生物医学领域也有应用，例如作为人工骨骼或组织工程支架，用于骨折修复或组织重建。

注：本文内容来自AMF增材制造前沿。