采用增材制造点阵设计增强医用植入物的功能性

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一、概述

抗生素耐药细菌种类的增加推动了对最小化感染风险医疗器械的需求。抗菌功能可以通过修改植入物的设计实现,即并入一个局部释放治疗剂的储存库,因此维持植入物的机械功能至关重要。本研究通过增材制造探索可能实现设计灵活性的机会,开发多种内部多孔晶格结构模型用于最大限度地提高装载药物体积,同时保持髋关节植入物的承载能力。

图1:髋关节植入物的 CAD设计(a)传统植入物(b)晶格设计提供装载治疗剂的孔隙空间

二、设计、模拟与制造

2.1 晶胞设计

目前二期髋关节翻修占位器的使用寿命有限且无法承受患者的全部负荷,本研究对其具有内部晶格的结构优化进行研究。晶格根据多孔金属压缩试验国际标准 ISO 13314 设计,选择压缩晶格直径 Do 和 高度 Ho 均为 15 mm的圆柱体试样,遵循 Ho = Do ~ 2 Do,试样直径与平均孔径 da 的关系为 Do ≥ 10 da。值得注意的是,M2 Cusing SLM 系统(德国 Concept Laser)的分辨率要求最小支柱直径约为 0.2 mm 才能达到可接受的零件质量。

使用 Simpleware 软件创建 8 种不同晶胞类型的压缩晶格结构。为能够加入最大体积的治疗剂,每种晶胞类型的目标体积分数(固体与孔隙的比率)以 10 为增量递减,直到在保持所有设计参数的情况下确定最低可能的体积分数。晶胞周期(沿轴填充图像域的晶胞数量)在 X、Y 和 Z 方向上相同,以 5 为步长变化。随着体积分数降低或晶胞周期增加,支柱直径会减小。因此,在确定可能的最低体积分数后,为每个压缩晶格设计最高的晶胞周期,这将为每种晶胞类型提供在 SLM 设备限制范围内的最小支柱直径。

2.2 有限元分析

在 Simpleware FE 中为每个晶格结构生成高质量的四面体网格模型,导入 Comsol Multiphysics 软件进行有限元分析。轴向施加 2300 N,底面施加所有方向的固定约束。设置 Ti-6Al-4V 材料的杨氏模量为 113.8 GPa,泊松比为 0.342,密度为 4430 kg/m3

2.3 增材制造

使用 M2 Cusing SLM 系统打印晶格圆柱体,Ti-6Al-4V 钛合金粉末尺寸为 20-50 μm。扫描速度 1750 mm/s,开口间距 75 μm,激光功率 150 W,层厚 20 μm。为提高制造过程的稳定性,在基底和晶格圆柱体之间建立牺牲支撑结构,后处理中会被移除。

2.3 扫描

使用 Skyscan1172 微型计算机断层扫描(micro-CT)系统扫描晶格圆柱体试样,像素尺寸为 3.38 μm。由于光束硬化和钛的穿透性较差,microCT 无法在较高体积分数的晶格上获得可靠结果,因此仅对 Schwartz primitive (Pinched) 10% 晶格扫描。

三、实验

3.1 测量

采用阿基米德法测得晶格圆柱体试样的孔隙率。由于支柱和孔径在晶格内具有几何形状,无法用游标卡尺测量。因此,为验证制造部件,对试样进行拍照后测量外部特征,计算晶格外部最小支柱直径和平均孔径的平均值。此外,通过试样的 micro-CT 扫描图像测量计算平均内部支柱直径和孔径。

3.2 力学试验

使用 Z030 万能力学试验机对每个晶胞类型的 5 个试样进行准静态压缩试验,以 10−2 s−1 的初始应变速率压缩至失效(0.075 mm/s),失效应变设置为试样高度的 50%。然而,所有试样都在 50% 最大应变极限之前失效,或达到 25 kN 的最大称重传感器极限,根据测量的力和位移绘制应力-应变曲线。

使用 ElectroForce 3300 进行疲劳试验,以 5 Hz 的频率施加 300-2300 N 之间的正弦变化压缩力,直至失效或达到 500 万次循环。

四、结果与讨论

4.1 有限元分析

在 Simpleware 软件中创建八种标准晶格类型,在保持设计参数要求的同时,最低共同目标体积分数为 30%,立方晶胞周期为 10(X、Y 和 Z 轴)。测量最小支柱直径和平均孔径,设计孔径为 0.55-0.95 mm,支柱直径为 0.30-0.60 mm。

图2:体积分数为 30% 的 CAD 压缩晶格圆柱体(绿色)、单胞类型(蓝色)、最小支柱和平均孔径

对不同晶格结构进行有限元分析,获得von Mises 应力和最大位移,所有晶格设计在最小支柱直径处均出现最大应力。与其他更立体的设计相比,Double Schoen gyroid 和 Neovius’ surface 结构是最弱的晶格设计,它们的共同设计特征是有机形状结构。如其他研究所述,以拉伸为主的结构通常比以弯曲为主的结构更坚硬,更适合在结构应用中提高重量效率。本研究旨在最大限度地利用孔隙空间确定可加入的最大治疗剂体积,以拉伸为主的结构是一种有吸引力的解决方案,能够在去除材料的同时保持植入物刚度,使得在骨科植入物内进行靶向药物输送时减少治疗感染所需的抗生素用量。此外,当不希望进行二次手术移除临时骨水泥占位器时,它还可以提供长期植入。最坚硬的晶胞类型为 Schwartz primitive、Schwartz primitive (Pinched) 和 Cylinder grid),它们产生的位移均在 0.02 mm 内。因此,选择这些晶胞类型进行制造和机械测试。

图3:体积分数为 30% Schwartz primitive (Pinched) 晶格模型的位移和von Mises 应力图(左图)及不同晶格类型的单元数量、位移和von Mises 应力统计表(右图)

4.2 体积分数和材料密度

在制造的试样中,Schwartz primitive (Pinched) 10% 晶格具有最高的设计孔隙率。通过 micro CT 计算得出制造试样内的缺陷(即晶格支柱内的孔隙率)为 99.0±0.7%。使用阿基米德天平测量法分析晶格材料的密度为 4.24±0.11 g/cm3,与理论密度 Ti-6Al-4V(4.43 g/cm3)相当,计算圆柱体的体积分数为14.18±0.68%。基于扫描图像数据评估制造试样的内部支柱和孔径,相较于设计结构没有发现显著偏差(3%)。

图4:增材制造晶格试样的单胞类型、体积分数及设计与试样的最小支柱直径和平均孔径

4.3 力学试验

Schwartz primitive 30% 和 Schwartz primitive (Pinched) 10% 压缩晶格在准静态压缩试验极限内失效(达到第一个最大压缩强度),两个 Schwartz primitive (Pinched) 30% 晶格也在这些测试参数内失效。其余的 Schwartz primitive (Pinched) 30% 和所有 Cylinder grid 晶格在 25 kN 前均未失效。每种晶胞类型的应力-应变曲线表明 Schwartz primitive (Pinched) 30% 和 Cylinder grid 晶格在 25 kN 时趋于稳定,直至失效点。

图5:增材制造晶格的应力-应变曲线(a)Schwartz primitive 30%(b)Cylinder grid 30%(c)Schwartz primitive (Pinched) 10%(d)Schwartz primitive (Pinched) 30%;其中 1 是准弹性梯度,2 是第一个最大压缩强度,3 是平台应力

4.4 疲劳试验

Schwartz primitive (Pinched) 10% 是制造晶格中弱的机械结构,且包含最大的体积孔隙空间容纳治疗剂。将其选为疲劳测试对象,若通过则理论上其他更强的晶格也应该能够承受疲劳载荷。三个试样在完成 500 万次循环后均没有失效,300 次循环后位移是 0.381 ± 0.115 mm,500 万次循环后位移增至 0.393 ± 0.113 mm。

表1:增材制造晶格的机械测试结果

五、结论

增材制造技术的进步使重新定义植入物的设计以增加功能性成为可能,骨科植入物不再局限于简单地机械替换或支撑受损的关节和骨骼。本研究探索了利用多孔晶格结构的孔隙体积作为含有治疗剂次级材料储存器的潜力,评估增材制造钛晶格作为髋关节骨水泥占位器替代设计的适用性,从而减少相关发病率和进一步手术。在制造的晶格中,最弱的结构 Schwartz primitive (Pinched) 10% 具有最大的孔隙体积,仍可承受 300-2300 N 之间的 500 万次负载循环。总之,研究结果证实通过增材制造实现钛植入物晶格设计的方法,确保负载治疗的靶向药物输送且不影响承重骨科髋关节植入物的疲劳寿命。

六、参考

  • Burton H E, Eisenstein N M, Lawless B M, et al. The design of additively manufactured lattices to increase the functionality of medical implants[J]. Materials Science and Engineering: C, 2019, 94: 901-908
 
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