3D打印钛合金（Ti6Al4V）功能梯度类骨小梁状网格结构及其性能控制研究

With the developing trends of aging population and expect to improve the life quality of young people, the demand for medical implants is growing, so the method for investigation on manufacturing trabecular-like porous Ti6Al4V structure and its biological response has been paid a wide attention by the manufacturing sector and the medical community. . Based on the 3D fabricated trabecular-like porous Ti6Al4V structure and its properties, this paper mainly researches on the correlation between solidification characterization, microstructure morphology and mechanical properties under ultrahigh temperature gradient, the design of function gradient porous structure using TOP, the relationship between functional gradient porous structure and its properties, the material surface characterization of 3D printing fabricated mesoscopic-micron/ submicron combined structure, cellular responses and bone ingrowth mechanism. . The above research will provide theoretical foundation for regulation to mechanical properties and biological properties of 3D printing fabricated trabecular-like porous Ti6Al4V structure, which also benefits to improve the long-term life, to solve the present exited problem of stress shielding and accelerate primary fixation with around tissue after implantation.. The implemented research will innovatively build a relationship map among bone density, modulus elasticity, compressive strength and surface properties for better osseointegration fitting for all people with different bone density, and what offer scientific basis for the bionics research on dental，orthopedic implants, and at same time accelerate the development in the whole field of implants fabricated using selective laser melting.

随着人口老龄化以及年轻人期望提高生活质量的发展趋势，医用植入体的需求量越来越大，因此钛合金类骨小梁网格结构的机械性能及其生物反应已经成为当前制造领域以及医学界广泛关注的热点。本项目以3D打印的钛合金类骨小梁结构及其性能为研究对象，重点研究SLM过程中超高温度梯度下金属结晶特性、典型组织形成机制及性能、功能梯度网格结构的拓扑优化设计方法、特征参数对其机械性能的影响、3D打印网格结构的表面特征与细胞反应、植入反应之间关系及反应机制等内容。上述研究将为3D打印钛合金类骨小梁网格结构机械性能以及生物反应的调控提供理论基础，有利于提高新型植入体的使用寿命、解决目前存在的应力遮挡问题并加速植入后的初期固位等。项目的实施将创新性地建立适合各类骨密度人群的弹性模量、抗压强度以及具有良好骨结合特性的网格结构性能关系图谱，为牙科、整形外科植入体的仿生学研究提供科学的依据，并加快3D打印技术在该领域的发展。

随着人口老龄化以及生活节奏的加快，植入体在临床医学中的需求越来越大。但是传统方法制造的植入体（实体结构）存在“应力屏蔽”现象，造成骨坏死、植入失败等问题。本项目采用拓扑优化设计方法（TOP）根据人体骨骼的受力特点进行点阵单元结构设计、SLM制造及其生物机械性能评价等研究，此外就SLM成形TC4钛合金的过程、组织性能调控等问题进行了相关研究。.该项目的创新点之一，研究了SLM制造的拓扑优化胞元构成的多孔材料性能的调控方法，创建了胞元结构参数如孔隙率、胞元尺寸与多孔材料性能（弹性模量和抗压强度）之间的三维关系图谱、基于Gibson-Ashby模型阐释了新型多孔材料的力学行为，为制造具有定制化性能的多孔材料方面的研究奠定了基础，该研究拟用于骨外科、颌面外科、整形外科以及牙科等医疗领域。研究成果发表于J Mech BEHAV BIOMED IF:3.485。.该项目的创新点之二，采用光束追踪的方法模拟分析了激光束与“多孔粉末”材料之间发生的反射、透射等物理现象，揭示了“多孔粉末”材料中粉末粒径分布、最大粒径尺寸以及孔隙率等因素对材料对激光吸收的影响规律。该研究为适用于SLM工艺的粉末材料制备、优化激光辐射条件、控制SLM过程以及熔池温度场起到了指导作用。研究成果发表于J MATER PROCESS TECH IF：4.178。.该项目的创新点之三，SLM原位制造Ti64合金，通过成形参数和散热条件的控制，对成形材料的组织性能进行调控使之发生不完全α^'→α+β转变，其屈服强度和抗拉强度均高于SLM成形+后热处理的钛合金，延伸率（8.5%）略低（10.5%）。研究成果发表于JALLOYCOMPD IF：4.175。.此外，项目在Ti64合金SLM制造成形极限研究方面发表文章一篇（materials IF:3.057）。多孔结构性能模拟及生物性能研究尚在整理中。共发表发明专利3项。