選択的レーザー溶融法による連続傾斜機能多孔質チタン骨スキャフォールドの製造

選択的レーザー溶融法による連続傾斜機能多孔質チタン骨スキャフォールドの製造
純チタンまたはチタン合金の多孔質スキャフォールドは、人間の骨の弾性係数特性に近づくことができます。しかし、生体模倣天然骨にとって、剛性勾配の段階的な変化は非常に重要です。多孔性が高いと骨細胞の付着/増殖/分化が促進され、多孔性が低いと荷重支持領域での十分な機械的性能要件が確保されます。骨の成長を促進する理想的なスキャフォールドの多孔度は 90% です。均一な気孔を使用すると、その機械的特性が実際の耐荷重強度要件を満たすことが難しくなります。そのため、機能傾斜多孔質スキャフォールド (FGPS) は、必要な高い多孔度と機械的特性を完璧に組み合わせ、骨代替物として優れた総合的な性能を提供します。 FGPS の従来の製造には、多孔度と機械的特性の制御が難しい、精度が低い、再現性が難しいなどの問題がありました。選択的レーザー溶融 (SLM) は、完全に相互接続された金属多孔質足場を直接製造できます。

現在、SLM を使用した FGPS の作成に焦点を当てた研究はほとんどありません。この目的のために、華中科技大学の石宇勝教授のチームは、SLMを使用して、3次元周期的極小表面D型表面単位に基づいて異なる勾配多孔度を持つ試料を準備し、それらの微細構造評価と機械的特性試験を実施しました。

図1 傾斜多孔質構造の試験結果:(a)応力-ひずみ曲線、(b)圧縮変形、(c)相対密度の関数としての多孔質構造の相対弾性率と強度。機能性傾斜多孔質スキャフォールドの顕微鏡形態観察では内部欠陥は見られず、CADモデルからの多孔度の偏差は3.61%で、幾何学的再現性は良好でした。SLMで加工した柱の直径は483μm~905μmの範囲でした。弾性率と降伏強度はそれぞれ0.28~0.59GPaと3.79~17.75MPaの範囲でした。圧縮試験測定により、傾斜多孔度と圧縮機械特性の数学的関係が確立されました。この研究は、骨代替物としてより優れた性能を持つ勾配多孔質スキャフォールドを設計および製造するための新しい方法を提供します。

出典:機械製造システム工学国家重点実験室

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