三周期极小曲面的骨支架梯度结构设计及性能分析.pdf

摘要

骨骼是人体很重要的器官，医学研究表明：骨组织缺损后具备一定的修复能力，当

缺损部位超过30mm，骨组织则不再具备修复机能，需要采用修复技术进行介入治疗。

这种修复技术实际是通过与骨组织各项性能相近的生物支架作为替代物，帮助完成骨再

生过程。但是依赖体内试验会造成大量人力物力的浪费，因此通过数值模拟方法进行相

关探究是很有意义的。

三周期最小曲面(TriplyPeriodicMinimalSurfaces，TPMS)是平均曲率为零的曲面，

它拥有高孔隙率，比表面积大，机械性能良好等优点，是目前最为适合应用于骨植入物

的结构之一。本文通过实验和模拟仿真的方式，研究了Gyroid和Primitive两种连续梯

度TPMS多孔结构的结构特性，生物力学性能，渗透性能等方面。首先通过参数化建模

软件Rhino和Grasshopper插件对TPMS多孔结构进行建模，通过HyperMesh进行网格

处理，最后导入ABAQUS有限元分析软件，分析结构的变形行为和生物力学性能。在

通过COMSOL软件对结构的渗透性能进行分析，结合力学性能分析结果选择出适合的

TPMS多孔结构，进行骨支架设计。

在结构特性方面，研究了孔隙率参数C和周期参数ω对TPMS结构的影响。发现

孔隙率参数C可以控制TPMS结构的孔隙率变化，而周期参数ω能够控制单胞的孔径

大小，通过这些规律，可以设计出具有梯度变化的TPMS多孔结构。

在力学性能方面，研究了在一定的应变条件下，不同周期参数的G型和P型TPMS

多孔结构在轴向加载下的弹性模量。在对仿真和实验结果进行研究后，得到了周期参数

对两种结构力学性能的影响规律，发现G型连续梯度TPMS多孔结构受力更均匀。

在渗透性能方面，基于达西定律研究了不同周期参数下的G型结构和P型结构的

渗透率。研究发现虽然P型连续梯度TPMS多孔结构在机械强度上满足骨组织功能的要

求，但其结构特性导致它的渗透性能较差，存在大的未渗透体积，不利于细胞与支架的

充分接触。而G型连续梯度TPMS多孔结构拥有良好的渗透性能，且拥有良好的机械

强度，适用于骨组织重建工程。

在骨支架设计方面，对G型连续梯度TPMS多孔结构进行优化时，获得控制仿骨

结构的周期参数ω的函数，沿着骨骼径向从外到内孔隙由密到疏，选用G_4x12模型能

够更好的满足人体骨骼重建的需求。

关键词：骨植入物；三周期极小曲面；增材制造；梯度结构；有限元仿真

Abstract

Boneisaveryimportantorganofhumanbody.Medicalresearchshowsthatbonetissue

hascertainrepairabilityafterdefect.Whenthedefectsiteexceeds30mm,bonetissuenolonger

hasrepairfunction,andrepairtechnologyisneededforinterventionaltherapy.Thisrepair

technologyisactuallyusedasasubstituteforbiologicalscaffoldswithsimilarpropertiesto

bonetissuetohelpcompletetheboneregenerationprocess.However,relyingoninvivo

experimentswillcausealotofwasteofmanpowerandmaterialresources,soitisvery

meaningfultocarryoutrelevantresearchthroughnumericalsimulationmethods.

TriplyPeriodicMinimalSurfaces(TPMS)isasurfacewi