[论文解读] Architectural bone parameters and the relationship to titanium lattice design for powder bed fusion additive manufacturing

Martine McGregor, Sagar Patel+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2021

Bone Tissue Engineering Materials参考文献 169被引用 102

一句话总结

本综述指出了天然松质骨微结构与当前通过粉末床熔融增材制造技术制造的钛合金点阵结构之间的不匹配。它提出，通过优化孔隙率、孔径和点阵拓扑结构，特别是采用基于表面或混合杆状-表面点阵结构，可更好地匹配皮质骨和松质骨的力学性能，减少应力屏蔽效应并改善植入物的整合效果。

ABSTRACT

Additive manufacturing (AM) of titanium (Ti) and Ti-6Al-4V lattices has been proposed for bone implants and augmentation devices. Ti and Ti-6Al-4V have favourable biocompatibility, corrosion resistance and fatigue strength for bone applications; yet, the optimal parameters for Ti-6Al-4V lattice designs corresponding to the natural micro- and meso-scale architecture of human trabecular and cortical bone are not well understood. A comprehensive review was completed to compare the natural lattice architecture properties in human bone to Ti and Ti-6Al-4V lattice structures for bone replacement and repair. Ti and Ti-6Al-4V lattice porosity has varied from 15% to 97% with most studies reporting a porosity between 50-70%. Cortical bone is roughly 5-15% porous and lattices with 50-70% porosity are able to achieve comparable stiffness, compressive strength, and yield strength. Trabecular bone has a reported porosity range from 70-90%, with trabecular thickness varying from 120-200 {\mu}m. Existing powder bed fusion technologies have produced strut and wall thicknesses ranging from 200-1669 {\mu}m. This suggests limited overlap between current AM of Ti and Ti-6Al-4V lattice structures and trabecular bone architecture, indicating that replicating natural trabecular bone parameters with latticing is prohibitively challenging. This review contributes to the body of knowledge by identifying the correspondence of Ti and Ti-6Al-4V lattices to the natural parameters of bone microarchitectures, and provides further guidance on the design and AM recommendations towards addressing recognized performance gaps with powder bed fusion technologies.

研究动机与目标

• 识别与植入物设计相关的天然皮质骨和松质骨的力学与结构参数。
• 评估天然骨微结构与增材制造的Ti-6Al-4V点阵结构之间的对应关系。
• 识别当前粉末床熔融（PBF）增材制造技术在复制松质骨结构方面的性能差距。
• 为开发更匹配骨组织力学行为的钛合金点阵植入物提供设计与制造建议。
• 倡导采用先进点阵几何结构（如基于表面或混合杆状-表面点阵）以更真实地模拟松质骨。

提出的方法

• 开展全面的文献综述，比较人体骨组织微结构与增材制造中Ti-6Al-4V点阵参数。
• 分析100多项关于Ti及Ti-6Al-4V点阵增材制造研究中的孔隙率、杆件厚度、孔径和点阵类型。
• 利用Gibson-Ashby模型，将点阵的力学性能（弹性模量、压缩强度）与皮质骨和松质骨进行对比。
• 评估粉末床熔融（PBF）增材制造在实现松质骨尺度特征（如120–200 µm的骨小梁厚度）方面的可制造性极限。
• 探索随机表面基点阵在更真实模拟松质骨复杂几何结构方面的潜力。
• 提出一种基于骨组织孔隙率和力学行为差异的个性化患者与部位特异性点阵设计框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前PBF增材制造中的Ti-6Al-4V点阵参数在多大程度上匹配人体皮质骨和松质骨的孔隙率与特征尺寸？
• RQ2 现有PBF增材制造技术能否生产出力学性能与人体皮质骨和松质骨相当的钛合金点阵？
• RQ3 为何使用传统杆状点阵结构复制松质骨结构特别具有挑战性？
• RQ4 如何通过点阵拓扑结构（如基于表面、混合杆状-表面点阵）改善与松质骨的力学匹配？
• RQ5 需要哪些设计与制造策略来减少钛合金骨植入物中的应力屏蔽效应？

主要发现

• 孔隙率为50–70%的Ti-6Al-4V点阵可实现与皮质骨（孔隙率5–15%）相当的压缩强度和刚度。
• 松质骨的孔隙率范围为70–90%，但当前PBF增材制造的杆件厚度为200–1669 µm，仅部分重叠于天然松质骨小梁厚度（120–200 µm）。
• 仅匹配特征厚度并不能确保力学性能相似，原因在于本征模量的差异。
• 基于表面和混合杆状-表面点阵在复制松质骨复杂微结构方面，相较于传统杆状点阵具有更大潜力。
• Gibson-Ashby模型能有效关联Ti-6Al-4V点阵的孔隙率与弹性模量及压缩强度，但需针对各向异性、个性化设计进行优化。
• 由于年龄、性别和骨骼部位之间骨组织孔隙率和微结构存在显著差异，个性化患者与部位特异性点阵设计至关重要。