摘要
β型钛合金具有优异的力学性能、较低的弹性模量、高的生物相容性和耐腐蚀性，被广泛用作骨创伤产品和人工关节等硬组织替代材料或修复物。然而，要使β钛合金与人骨相匹配，减少“应力屏蔽”效应，必须进一步降低其弹性模量。将材料制备成多孔结构是降低弹性模量最有效的方法之一。同时，多孔结构还有利于细胞粘附、增殖和骨组织再生，使种植体和组织之间获得了更大的生物结合，提高植入成功率，具有巨大的应用潜力。但是，现有的多孔结构医用β型钛合金在设计和制造时并未考虑人骨的使役状态，孔隙结构对力学和生物性能的影响也不明晰。本文针对不同人骨受力状态，利用拓扑优化方法设计了不同类型的多孔结构模型，并以Ti-35Nb-7Zr-5Ta（TNTZ）钛合金粉末为材料，利用选择性激光熔化（SelectiveLaserMelting,SLM）增材制造技术对这些模型进行了成形制造，系统研究了SLM工艺参数对成形质量和组织性能的影响，并揭示了多孔几何参数对力学性能和生物相容性的影响规律。具体工作及结论如下： （1）基于人体肱骨、颈椎骨和腰椎骨的受力形式，采用带有惩罚的变密度拓扑优化模型，设计出了三种不同类型和孔隙率的多孔结构（压缩型、剪切型和扭转型）。通过对这些多孔结构进行静力学和压缩过程模拟发现，优化多孔结构在相对应的受载情况下应力分布更均匀，应力集中较少，验证了拓扑优化设计的有效性。此外还发现，在相同孔隙率下，压缩型、剪切型和扭转型多孔结构的屈服强度、弹性模量呈依次降低的趋势。随着孔隙率增大，多孔结构的屈服强度和弹性模量均逐渐降低。 （2）系统研究了SLM工艺参数对多孔β钛合金的成形质量和组织性能的影响。研究表明，随着激光能量密度的增大，多孔TNTZ合金结构孔隙率减小，尺寸偏差增大，成形质量逐渐降低，屈服强度及弹性模量逐渐提高。当扫描速度为1400mm/s及激光功率180W时，成形的多孔材料的内部缺陷最少，具有较优的综合性能。组织分析表明，多孔试样由单一β-Ti相组成并成柱状或胞状形态，在建筑方向上展现出{110}〈001〉高斯织构。随着扫描速度增大，试样微观组织细化且织构减弱。归一化强度和维氏硬度规律揭示出多孔TNTZ合金的力学性能主要强化机制为第二相强化。最后，建立了工艺参数-结构孔隙率-屈服强度的预测模型：PS=?0.26EV+67.77，σy=551.5P/v+43.7。 （3）基于优化的工艺参数，制备了不同孔隙率及孔隙结构的多孔试样，通过压缩试验和细胞体外培养，系统研究了多孔几何参数对力学和生物性能的影响。结果表明，孔隙率越低，其力学性能和细胞增殖水平越高，而70%孔隙率时最有利于细胞粘附。在相同孔隙率下，本研究优化得到的压缩型多孔较传统多孔结构（立方和体心多孔）具有更优的力学性能和细胞粘附增殖能力。
NETL