高孔隙度可再生骨支架仿真與實驗研究

徐淑波，趙晨浩，劉建營，張森，薛現猛，柳婷婷，林少宇

高孔隙度可再生骨支架仿真與實驗研究

徐淑波1,2，趙晨浩1，劉建營1，張森1，薛現猛1，柳婷婷1，林少宇1

（1.山東建筑大學 材料科學與工程學院，濟南 250101；2.華南理工大學 國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心，廣州 510640）

確定單元體與股骨的最佳孔隙度骨支架結構。通過掃描電鏡分析選區激光熔化（Selective laser melting，SLM）成形試樣的微觀結構；通過靜力學模擬與實驗分析不同孔隙度下標準結構與Voronoi多孔結構的壓縮變形規律；通過生物力學仿真實驗分析步態周期下標準結構與Voronoi多孔結構的應力分布情況。在選區激光熔化成形的316L不銹鋼微觀組織中，均勻分布著細小的近六邊形、伸長六邊形的胞狀結構和條柱狀亞結構，受壓時有利于分散應力，提高整體結構的穩定性；在壓縮變形時，標準結構應力集中于垂直棱柱，易導致棱柱斷裂引起試樣傾斜；Voronoi結構連接桿的不均勻分布有利于分散應力，使Voronoi結構的最大等效應力（250.34 MPa）遠低于標準結構（738.07 MPa），保證了整體受力均勻與結構穩定；在步態周期下，2種骨支架結構的應力隨孔隙度的增加而增加，75%孔隙度的Voronoi結構具有更優異的承壓能力與緩解應力屏蔽的作用。通過模擬與試驗分析，確定了單元體與股骨的最佳孔隙度及Voronoi結構優異的力學性能，驗證了在步態周期下高孔隙度Voronoi骨支架結構的可靠性，為股骨置換手術提供了理論依據。

選區激光熔化；靜力學仿真模擬；生物力學仿真實驗；Voronoi多孔結構；高孔隙度；步態周期

隨著激光選區熔化技術的發展，其在醫療上的應用也越來越廣泛，不僅可根據患者的不同情況進行精準的個性化定制[1-2]，也可對孔的類型、孔徑尺寸、孔壁厚度及孔隙度進行設計，完成特有的多孔結構與胞格結構制造[3]，在骨生物醫療領域有著重要的應用前景[4-5]。

近年來，國內外專家學者對SLM打印多孔結構進行了大量理論與實驗研究[6-9]。崔新建等[10]采用SLM技術打印了BCC、FCC和FCCZ等3種多孔結構，驗證了該技術成形復雜多孔結構件的可行性。高芮寧等[11]采用有限元分析與實驗對比分析了多孔支架的力學性能，驗證了多孔支架有限元分析的可行性。李姝博等[12]研究了單元體結構對假體多孔結構的微觀組織與力學性能的影響，并模擬了在不同多孔結構下人體站立時髖關節假體載荷的傳遞與應力分布規律。張蘭等[13]建立了一種具有高孔隙率的骨小梁結構，并采用有限元軟件分析了骨小梁的拉伸性能。

綜上所述，研究人員對多孔結構件進行了大量的理論與實驗研究，但仍未考慮人體在實際步態周期下應力分布的變化規律，且人體步態周期股骨的受力主要以壓應力為主，因此有必要從壓縮變形方面探索不同孔隙度多孔結構的變化規律。采用有限元分析與實驗研究相結合，系統研究了不同孔隙度、不同骨支架結構的等效應力分布，并從生物載荷的角度驗證了骨支架多孔結構的可靠性，可為股骨置換手術提供理論依據。

1 研究對象與方法

1.1 單元體模型設計

1.1.1 單元體多孔結構設計

為適應天然骨小梁微觀結構，設計了一種基于種子點的空間（平面）剖分結構的不規則Voronoi多孔結構。同時，為便于突出Voronoi多孔結構的優點，研究孔隙度對股骨力學性能的影響，設計了四棱柱標準多孔結構作為對照組。通過大量研究發現[14-15]，骨組織支架結構的理想多孔尺寸為300～900mm，孔隙度為60%～95%。將多孔支架結構的孔尺寸設為300mm，孔隙度設為75%～85%，相關設計參數見表1。

表1 Voronoi孔型多孔結構及對照組設計參數

Tab.1 Design parameters of Voronoi porous structure and control group

1.1.2 單元多孔模型建立

在Rhino中，利用插件Grasshopper設計隨機多孔結構的建模流程見圖1。首先，在20 mm×20 mm區域隨機生成所需的種子點，通過相應的概率球半徑生成二維Voronoi圖；然后，利用Voronoi 3D模塊生成含隨機單元體的三維Voronoi結構（圖1b），并提取三維結構內部的不規則種子點，將相鄰的2點連接，構建棱柱為1 mm×1 mm截面的隨機多孔模型（圖1c）；最后，用T-splines插件對棱柱光滑處理，生成棱柱直徑為1 mm截面的Voronoi多孔結構模型(圖1d)。標準多孔結構的建模需在二維建模區域生成規則點陣，才會得到相應的三維結構。

Voronoi多孔結構建模流程的電池組圖見圖2?？赏ㄟ^設置體積為20 mm×20 mm×20 mm的正方體區域、種子點數量與棱柱直徑，創建出孔徑為1 mm、孔隙率為75%～85%的多孔三維結構。將Voronoi多孔結構以.xt格式導入有限元軟件Ansys，完成單元體多孔結構的建模。

1.1.3 材料屬性設置

有限元模擬與實驗的材料均選用316L不銹鋼，其具體應力–應變曲線見圖3，實驗階段選用SLM技術制備多孔單元體。

1.1.4 邊界和約束條件

由于該多孔結構應用于人體骨骼，且人體的骨骼受力以壓應力為主[16]。因此，應對多孔結構試樣進行壓縮測試實驗。通過Ansys模擬軟件對多孔模型上下表面加入厚度1 mm的實心板，實心板材料設為工程鋼材料，接觸面設為摩擦接觸。整體模型采用四面體網格劃分，網格尺寸設為0.3 mm。對底板實施完全固定約束，對上板施加100 N的載荷，載荷方向見圖4。為確保有限元分析的準確性，保證多孔結構植入人體后不產生塑性形變，其有限元力學分析僅限于線彈性形變。

圖2 隨機多孔結構的Grasshopper主程序電池組圖

圖3 SLM技術制備316L不銹鋼壓縮應力–應變曲線

圖4 有限元壓縮模擬受力方向

1.2 股骨模型設計

1.2.1 股骨三維有限元模型建立

通過螺旋CT掃描機，實現人體股骨長軸方向橫斷面的螺旋掃描。將股骨CT掃描數據以Dicom 3.0格式導入Mimics軟件，閾值設為662～161 3，并通過Calculate 3D界面創建股骨的三維模型（圖5a）。但此時的三維股骨模型由若干個曲面片組成（圖5b），故需將三維模型以STL格式保存并導入曲面重構軟件Geomagic，通過表面裝填、縫合、封閉等操作將曲面片擬合成相連曲面，進而生成NURBS曲面模型，實現股骨三維模型的光滑處理。以step的格式導入有限元軟件ABAQUS，完成股骨三維模型建模。

圖5 股骨實體模型

1.2.2 股骨與假體裝配

為設計出最符合骨小梁的多孔骨支架，將股骨中間部分用支架代替，在植入過程中保證假體中心線與股骨髓腔中心線吻合。假體與骨骼的接觸設置為“Bonded”，并在Mesh模塊中對股骨-假體各部分進行自由網格劃分，單元設為四面體形狀。根據不同孔隙度的骨支架單元體結構建立股骨-假體模型（圖6）。

圖6 股骨–假體模型

1.2.3 材料屬性設置

在模擬階段假定骨結構、軟骨為連續、均勻、各向同性的彈性材料[17-20]，股骨各部分模型具體材料屬性見表2。

1.2.4 股骨約束

采用anybody軟件模擬體質量為70 kg的成人完成整個行走周期[21-22]，忽略其余因素影響，導出完整步態周期下股骨反作用力（HMF）、髖關節后側力（HAPH）和髖關節近端力（HPDF）的載荷數據，具體的方向及大小見圖7。通過ABAQUS載荷模塊建立3組數據的載荷模型，同時將遠端股骨節點固定約束，模擬步態周期下股骨受力對假體的影響。

表2 模型材料屬性

Tab.2 Model material properties

圖7 股骨近端各載荷的角度與大小

2 結果分析

2.1 單元體有限元結果分析

不同孔隙度多孔結構壓縮試樣的等效應力圖見圖8。由圖8可知，標準結構的最大等效應力分別為738.07、1 014.4、1 445.2 MPa，而Voronoi結構的最大等效應力分別為250.34、425.58、876.2 MPa?？梢?，在相同加載力下，Voronoi結構的最大等效應力遠低于標準結構。對試樣各部分的應力分析可知，隨著孔隙度增大，有限元模型的等效應力逐漸增大，應力對上下板的影響亦逐漸增大，這將導致骨支架與骨骼接觸面的應力分布不均勻，從而對骨組織造成更為嚴重的應力屏蔽。對單元體結構的分析可知，標準結構的應力主要分布在垂直固定面的棱柱上，這說明試樣破壞時垂直棱柱會先行斷裂，且由于棱柱的不均勻受力，試樣易產生傾斜而對人體造成二次損傷。Voronoi結構的應力分布在每個桿件連接處，試樣整體的應力分布更為均勻，因而試樣在壓縮時并無傾斜現象發生。

2.2 實驗結果分析

為分析多孔結構在打印過程中的組織演變過程，驗證有限元分析的可靠性，對標準結構與Voronoi結構進行SEM分析與力學性能測試。需完成不同孔隙度單元體多孔結構的打印，試驗材料選用實驗室316L不銹鋼粉末，釆用FS271M金屬激光3D打印機快速打印成形，打印試樣見圖9。

2.2.1 多孔316L不銹鋼微觀組織分析

SLM成形試樣的SEM圖見圖10。由圖10可知，晶粒內部均勻分布著近六邊形、伸長六邊形的胞狀結構和條柱狀亞結構，且相比于傳統316L不銹鋼，組織中并未發現孿晶。柱狀亞結構條帶之間的寬度為400～500 nm（圖 10a），胞狀組織結構的平均尺寸為1 μm左右（圖 10b）。這些細小亞結構在承受壓縮應力時可由每個部位均勻分攤，能夠承受更高的壓縮應力。通過對不銹鋼材料的大量調研發現[23-26]，316L不銹鋼常被用作人體牙齒與骨骼的植入，能有效促進骨組織再生且不產生排異反應，具有良好的生物相容性。因此，采用3D打印成形的316L不銹鋼結構作為人骨的實驗材料具有較優越的組織優勢。

圖8 不同孔隙度多孔結構有限元模擬等效應力圖

圖9 SLM技術打印試樣

圖10 316L不銹鋼試樣SEM圖像

2.2.2 多孔316L不銹鋼壓縮性能分析

分別對變形量在2%、10%、30%時的標準結構與Voronoi結構進行取樣分析（圖11），2種多孔結構與實體金屬類似，在壓縮過程中均變成鼓形，體現出良好的塑性變形能力。但由于標準結構在壓縮過程中連接上、下層的棱柱斷裂，導致整體試樣出現偏移現象；Voronoi結構的連接桿呈不均勻分布，可用于分散應力，保證試樣受力均勻，不易引起試樣傾斜?？梢?，有限元仿真與實驗結果相同，Voronoi結構可有效反應試樣的實際受力情況。

圖11 不同變形量多孔結構試樣壓縮實驗

多孔結構壓縮應力–應變曲線見圖12。與圖10所示的壓縮過程相似，多孔結構的壓縮變形分為彈性、塑性與壓縮密實等3個階段。其中，彈性階段的應力–應變呈線性增長；塑性階段由于多孔結構壓縮后晶粒的不均勻性，試樣局部發生塑性變形，應力–應變曲線呈現平臺狀；壓縮密實階段由于變形和作用力方向的不同，會產生一定的剪切應力，最終在孔壁尖角形成應力集中，從而造成裂紋源。隨著應力的逐漸增加，裂紋逐漸擴展，致使整體結構完全斷裂。整個變形過程無明顯的屈服階段。

圖12 多孔結構壓縮應力–應變曲線

由圖12還可知，標準件在壓縮密實階段應力出現明顯的偏移現象，這說明應力集中于垂直連接柱處，若植入到人體中極易產生應力集中現象，對人體造成二次損傷；而Voronoi結構壓縮曲線在經過屈服點后依舊呈線性增長趨勢，且增長率非常小，壓縮過程并未產生偏移，無明顯應力集中。另外，壓縮應力隨孔隙度的減小而不斷增加，孔隙度為75%的Voronoi結構具有更好的承壓能力，因而Voronoi結構比標準結構更適合作為人體骨骼植入物。

2.3 多孔316L不銹鋼生物力學仿真分析

股骨不同孔隙度、不同結構的等效應力云圖見圖13。由圖13可知，在步態周期下主要應力為股骨反作用力，這說明股骨在步態周期主要受壓縮力，驗證了壓縮實驗的必要性。股骨生物力學實驗數據與單元體壓縮變形相似，其最大等效應力隨孔隙的增大逐漸增加，且最大應力點位置逐漸下移；同時，Voronoi結構的最大等效應力遠低于標準結構，最大應力點位置較高，且試樣應力分布更為均勻，這表明Voronoi結構具有更優異的抗壓縮變形能力。

圖13 股骨不同孔隙度不同結構的Mises應力云圖

對比圖13a—c或d—f可知，孔隙度越高，金屬假體對骨組織造成的應力屏蔽越嚴重，假體與骨組織接觸面的應力也逐漸增大，易發生假體與骨組織間的摩擦作用，從而減少植入物的使用壽命。因此，75%孔隙度的Voronoi結構最適合作為人骨植入物。

3 結論

通過有限元模擬與試驗研究，獲得了不同孔隙度、不同結構下單元體多孔結構與股骨-假體多孔結構的壓縮變形規律。

1）SLM打印的316L不銹鋼均由1 μm以下的細小胞狀結構、柱狀亞結構構成，在壓縮變形時可均勻分攤應力，保證整體結構穩定。

2）多孔結構壓縮大致可分為彈性階段、塑性平臺階段和壓縮密實階段；在壓縮過程中，標準多孔結構應力集中在縱向棱柱處，易造成桿件斷裂而引起試樣傾斜；Voronoi多孔結構的應力集中在多桿交點處，試樣受力均勻且無傾斜現象。

3）對6種不同骨支架多孔結構的生物力學仿真實驗分析可知，等效應力隨孔隙度的減小而逐漸減弱，Voronoi多孔結構能有效降低人體步態周期下的應力屏蔽效應，減少多孔支架與骨組織的摩擦，75%孔隙度的Voronoi多孔結構植入人骨具有更優異的性能。

[1] 吳小寶, 馮坤, 田大為. 3D打印個性化導航截骨導板在膝關節置換中的應用研究進展[J]. 中國醫藥導報, 2022, 19(4): 52-56.

WU Xiao-bao, FENG Kun, TIAN Da-wei. Research Progress on the Application of 3D Printing Personalized Navigation Osteotomy Guide in Knee Replacement[J]. China Medical Herald, 2022, 19(4): 52-56.

[2] 魏志遠, 李浩, 熊旭，等. 雙峰3D打印個性化接骨板內固定治療嚴重脛骨平臺骨折[J]. 中國骨與關節損傷雜志, 2021, 36(10): 1087-1089.

WEI Zhi-yuan, LI Hao, XIONG Xu, et al. Internal Fixation of Bimodal 3D Printing Personalized Bone Plate for Severe Tibial Plateau Fractures[J]. Chinese Journal of Bone and Joint Injury, 2021, 36(10): 1087-1089.

[3] 宋穎, 鄧久鵬, 張煒. 骨組織工程多孔支架制備方法的研究進展[J]. 生物醫學工程與臨床, 2021, 25(2): 246-250.

SONG Ying, DENG Jiu-peng, ZHANG Wei. Research Progress in the Preparation of Porous Scaffolds for Bone Tissue Engineering[J]. Biomedical Engineering and Clinical, 2021, 25(2): 246-250.

[4] FANTINI M, CURTO M, CRESCENZIO D F. A Method to Design Biomimetic Scaffolds for Bone Tissue Engineering Based on Voronoi Lattices[J]. Virtual Physi Prototyping, 2016, 11(2): 77-90.

[5] MACHADO B I, LOPEZ M I, BRACKE J, et al. Next-generation Biomedical Implants Using Additive Manufacturing of Complex, Cellular and Functional Mesh Arrays[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society, 2010, 368(1917): 1999-2032.

[6] Gomez S, Vlad M D, Lopez J, et al. Design and Properties of 3D Scaffolds for Bone Tissue Engineering[J]. Acta Biomaterialia, 2016, 42: 341-350.

[7] Tan X P, Tan Y J, Chow C S L, et al. Metallic Powder-bed Based 3D Printing of Cellular Scaffolds for Orthopaedic Implants: A State-of-the-art Review on Manufacturing, Topological Design, Mechanical Properties and Biocompatibility[J]. Materials Science & Engineering, C. Materials for Biogical Applications, 2017, 76: 1328-1343.

[8] Fantini M, Curto M, De Crescenzio F. A Method to Design Biomimetic Scaffolds for Bone Tissue engineering Based on Voronoi Lattices[J]. Virtual & Physical Prototyping, 2016, 11(2): 77-90.

[9] Fantini M, Curto M. Interactive Design and Manufacturing of a Voronoi-based Biomimetic Done Scaffold for Morphological Characterization[J]. International Journal on Interactive Design & Manufacturing, 2018, 12(2): 585-596.

[10] 崔新建, 劉玉德, 石文天，等. 選區激光熔化成形316L不銹鋼多孔結構及力學性能[J]. 特種鑄造及有色合金, 2020, 40(1): 75-80.

CUI Xin-jian, LIU Yu-de, SHI Wen-tian, et al. Porous Structure and Mechanical Properties of 316L Stainless Steel Formed by Selective Laser Melting[J]. Special Casting and Nonferrous Alloys, 2020, 40(1): 75-80.

[11] 高芮寧, 李祥. 徑向梯度多孔支架設計與力學性能分析[J]. 機械工程學報, 2021, 57(3):220-226.

GAO Rui-ning, LI Xiang. Design and Mechanical Properties Analysis of Radial Gradient Porous Scaffolds[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2021, 57(3):220-226.

[12] 李姝博. 3D打印髖關節假體多孔結構力學性能的數值仿真和實驗研究[D]. 吉林: 吉林大學, 2020: 51-57.

LI Shu-bo. Numerical Simulation and Experimental Study on Mechanical Properties of 3D Printed Hip Prosthesis Porous Structure[D]. Ji Lin: Jilin University, 2020: 51-57.

[13] 張蘭, 王翔, 劉軍，等. 3D打印鈦合金骨小梁多孔結構的拉伸性能[J]. 中國組織工程研究, 2020, 24(22): 3498-3503.

ZHANG Lan, WANG Xiang, LIU Jun, et al. Tensile Properties of 3D Printed Titanium Alloy Trabecular Bone Porous Structures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2020, 24(22): 3498-3503.

[14] 馮雨欣, 王玥涵, 曲佳欣，等. 基于CT的股骨精確建模與三維有限元分析[J]. 軟件, 2020, 41(1): 46-49.

FENG Yu-xin, WANG Yue-han, QU Jia-xin, et al. Accurate Modeling and 3D Finite Element Analysis of Femur Based on CT[J]. Software, 2020, 41(1): 46-49.

[15] 孫海波, 徐淑波, 張森，等. SLM成形不同孔隙結構骨支架的仿真與實驗研究[J]. 精密成形工程, 2022, 14(2): 123-128.

Sun Hai-bo, Xu Shu-bo, Zhang Sen, et al. Simulation and Experimental Study on SLM Forming of Bone Scaffolds with Different Pore Structures[J]. Precision Forming Engineering, 2022, 14(2): 123-128.

[16] 任啟超. 正常重力環境下人體下肢力學特性研究[D]. 太原理工大學, 2017: 23-45.

REN Qi-chao. Research on mechanical properties of human lower limbs in normal gravity environment[D]. Taiyuan University of Technology, 2017: 23-45.

[17] 石志良, 黃琛, 盧小龍，等. Sphere梯度孔結構力學性能有限元分析[J]. 中國生物醫學工程學報, 2019, 38(3): 339-347.

SHI Zhi-liang, HUANG Chen, Lu Xiao-long, et al. Finite Element Analysis of Mechanical Properties of Sphere Gradient Holes[J]. Chinese Journal of Biomedical Engineering, 2019, 38(3): 339-347.

[18] 王學斌, 龐清江, 余霄. 人工股骨頭置換術中置入不同直徑假體球頭的有限元分析[J]. 中國骨傷, 2020, 3(6): 558-563.

WANG Xue-bin, PANG Qing-jiang, YU Xiao. Finite Element Analysis of Different Diameter Ball Head Implant in Artificial Femoral Head Replacement[J]. China Journal of Bone Trauma, 2020, 3(6): 558-563.

[19] 張升. 醫用合金粉末激光選區熔化成形工藝與性能研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2014: 29-57．

Zhang Sheng. Laser Selective Melting Forming of Med-ical Alloy Powder and Its Properties[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2014: 29-57.

[20] 顏繼英. 不同材料賦值下股骨靜力學有限元模型的力學仿真分析[J]. 中國組織工程研究, 2020, 24(9): 1390-1394.

YAN Ji-ying. Mechanical Simulation Analysis of Femur Static Finite Element Model with Different Material Assignment[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2020, 24(9): 1390-1394.

[21] 徐歡歡, 何育民, 孫朝陽，等. AnyBody環境下人體步態的逆向動力學研究[J]. 機械科學與技術, 2019, 38(12): 1819-1824.

XU Huan-huan, HE Yu-min, SUN Chao-yang, et al. Study on Inverse Dynamics of Human Gait in the Environment of AnyBody[J]. Mechanical Science and Technology, 2019, 38(12): 1819-1824.

[22] 羅林聰, 馬立敏, 林澤，等. 基于AnyBody骨骼肌肉多體動力學分析的有限元仿真[J]. 醫用生物力學, 2019, 34(3): 237-242.

LUO Lin-cong, MA Li-min, Lin Ze, et al. Finite Element Simulation of Multibody Dynamics Analysis of Skeletal Muscle of AnyBody[J]. Medical Biomechanics, 2019, 34(3): 237-242.

[23] LAWRENCE J, CHEW H R, CHONG C K, et al. Laser Modification of the Wettability Characteristics of a 316L Stainless Steel Bio-metal and the Effects Thereof on Human Fibroblast Cell Response[J]. Lasers in Engineering, 2005, 15: 75-90.

[24] 吳啟銳. 選區激光熔化成形316L不銹鋼多孔結構的力學性能及生物相容性研究[D]. 福建: 福建工程學院, 2021: 56-62.

WU Qi-rui. Study on Mechanical Properties and Biocompatibility of 316L Stainless Steel Porous Structure Formed by Selective Laser Melting[D]. Fu Jian: Fujian Institute of Technology, 2021: 56-62.

[25] 李超. 激光增材制造成形316L不銹鋼的研究進展[J]. 機械工程材料, 2022, 46(8): 1-7.

LI Chao. Progress of laser additive manufacturing for forming 316L stainless steel [J]. Mechanical Engineering Materials, 2022, 46(8): 1-7.

[26] 謝焯俊, 方輝, 沈顯峰，等. 面向基于Voronoi結構的隨機多孔骨植入材料的小孔結構參數化建模方法研究[J]. 生物骨科材料與臨床研究, 2020, 17(4): 1-6.

XIE Chao-jun, FANG Hui, SHEN Xian-feng, et al. A parametric modeling method for small pore structures of random porous bone implant materials based on Voronoi structure[J]. Bio-Orthopaedic Materials and Clinical Research, 2020, 17(4): 1-6.

Simulation and experiment of high porosity renewable bone scaffold

XU Shu-bo1,2, ZHAO Chen-hao1, LIU Jian-ying1, ZHANG Sen1, XUE Xian-meng1, LIU Ting-ting1, LIN Shao-yu1

(1. School of Materials Science and Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China; 2. National Engineering Technology Research Center for Material Forming, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The work aims to determine the optimal porosity bone scaffold structure between the unit body and the femur.The microstructure of the sample formed by selective laser melting (SLM) was analyzed by scanning electron microscope. The compression deformation law of standard structure and Voronoi porous structure under different porosity was analyzed by static simulation and experiment. The stress distribution of the standard structure and the Voronoi porous structure under the gait cycle was analyzed by biomechanical simulation experiment.The microstructure of 316L stainless steel formed by selective laser melting was evenly distributed with fine cell structures of near hexagon, elongated hexagon and strip columnar substructure, which was conducive to the stress dispersion and improved the stability of the whole structure. During the compression deformation, the stress of the standard structure was concentrated in the vertical prism, which easily led to the fracture of the prism and caused the sample tilt. The non-uniform distribution of Voronoi structure was conducive to the stress dispersion, so that the maximum equivalent stress of Voronoi structure (250.34 MPa) was much lower than that of the standard structure (738.07 MPa), ensuring the uniform stress and stability of the whole structure. Under the gait cycle, the stress of the two bone scaffold structures increased with the increase of porosity, and the Voronoi structure with 75% porosity had better bearing capacity and relieved the effect of stress shielding. Through simulation and experimental analysis, the optimal porosity of the unit body and the femur and the excellent mechanical properties of the Voronoi structure are determined and the reliability of the high porosity Voronoi bone scaffold structure under the gait cycle is verified, which provides a theoretical basis for femoral replacement surgery.

selective laser melting; static simulation; biomechanical simulation experiment; Voronoi porous structure ; high porosity; gait cycle

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.016

R318.08

A

1674-6457(2023)01-0120-08

2022–04–16

2022-04-16

國家自然科學基金（41305124）；山東省科技型中小企業創新能力提升工程（2022TSGC2108，2022TSGC2402）；山東省自然科學基金面上項目（ZR2021ME182）；大學生國創計劃（S20211043001，202210430010，202210430008）

Natural Science Foundation of Shandong Province (41305124); Science and Technology Enterprise Innovation Program of Shandong Province (2022TSGC2108, 2022TSGC2402); Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2021ME182); National College Student Innovation and Entrepreneurship Program (S20211043001, 202210430010, 202210430008)

徐淑波（1977—），男，博士，教授，主要研究方向為塑性加工和增材制造。

XU Shu-bo (1977-), Male, Doctor, Professor, Research focus: plastic forming and additive manufacturing.

徐淑波, 趙晨浩, 劉建營, 等. 高孔隙度可再生骨支架仿真與實驗研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 120-127.

XU Shu-bo, ZHAO Chen-hao, LIU Jian-ying, et al. Simulation and experiment of high porosity renewable bone scaffold[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(1): 120-127.