研究人员受人体骨骼“梁”启发开发了抗疲劳的3D打印轻质材料

来源：江苏激光联盟

人类骨骼材料中的“梁”如何处理终生磨损的发现可能会转化为3D打印轻质材料的开发，这种材料的使用寿命足够长，可以在建筑物、飞机和其他结构中更实际地使用。

微结构材料可以通过底层几何结构而不是材料成分实现单位质量的高刚度和强度。增材制造和晶格设计软件的最新发展允许快速优化晶格密度和架构，以满足低密度微架构的刚度、强度和/或能量吸收需求。微米和纳米制造的进步允许从具有高刚度和强度的各种不同基板设计微结构材料。在晶格微结构设计中并不经常考虑抗疲劳失效。然而，微结构材料容易出现疲劳失效，因为它们复杂的几何形状会导致应力集中，比施加在大块材料上的应力大一个数量级，从而促进疲劳损伤的发生和传播。平衡疲劳寿命的需求与刚度、强度和其他所需的材料特性是在耐用设备中使用微结构材料的主要挑战。

天然存在的材料可以显示出卓越的机械性能，并且是微结构材料设计的有用模型。骨是一种相对于密度具有高刚度和强度的生物材料。整个骨骼由称为皮质骨的致密组织制成的外壳组成，该外壳围绕着称为松质骨的泡沫状组织。松质骨由相互连接的板状和杆状支柱网络组成，称为小梁（厚度约50至300μm）。骨骼从称为小梁的海绵状结构中获得耐用性，该结构是由相互连接的垂直板状支柱和充当柱子和梁的水平杆状支柱组成的网络。小梁越密，骨骼在日常活动中的弹性就越大。但是疾病和年龄会影响这个密度。

▲图1. 这张人类股骨的图像显示了相互连接的白线，即构成海绵状小梁骨的支柱。一项研究发现，较厚的水平支柱可以增加骨骼的疲劳寿命。图片来源：康奈尔大学Christopher Hernandez

松质骨中的小梁优先与习惯性体育活动产生的应力方向对齐，从而形成横向各向同性的微观结构。尽管微结构被广泛认为是松质骨机械性能的一个贡献者，但迄今为止，只有密度/孔隙率和织物张量（各向异性的度量）被证明是松质骨刚度和强度的主要贡献者；微体系结构的所有其他方面的贡献都可以忽略不计。微结构对松质骨疲劳特性的影响还没有得到很好的研究。

来自康奈尔大学、普渡大学和凯斯西储大学的研究人员发现，尽管垂直支柱有助于骨骼的刚度和强度，但实际上是看似微不足道的水平微结构支柱增加了骨骼的疲劳寿命。他们的研究成果发表在Proceedings of the National Academy of Sciences上。

▲图2. 微结构影响松质骨中疲劳损伤的积累。(A) 松质骨蠕变疲劳曲线显示了疲劳载荷的三个阶段。松质骨的循环压缩载荷在蠕变疲劳曲线的不同点（数据点）停止，以确定损伤累积的模式。（插图）显示了循环加载波形。松质骨的 3D 图像，(B) 绿色表示损坏，(C) 板状和杆状支柱，以及 (D) 支柱相对于解剖位置（纵向、倾斜和横向）的方向。(E) 松质骨的损伤量（损伤体积分数，DV/BV）与最大施加应变相关，但具有较厚杆状小梁的标本经历较少的损伤累积（R2 = 0.76，P < 0.01）。误差线表示从线性混合效应模型确定的 SD。(F) 在疲劳寿命早期，支柱失效主要发生在横向定向的棒状支柱中；最终机械故障的特点是纵向定向板状支柱的广泛故障。

组织异质性也是松质骨中损伤积累的主要因素，因此，这是在人类骨组织中的发现的潜在解释。为了将微结构的影响与与材料异质性相关的影响隔离开来，研究人员使用高分辨率投影立体光刻打印机生成了松质骨微观结构的3D模型（图3A 和 B）。

▲图3. 使用增材制造生成的松质骨模型表明，疲劳寿命对微结构的微小变化很敏感。(A) 人类椎骨松质骨的数字图像被编辑并打印成 (B) 高分辨率 3D 模型。

为了确定研究人员的发现是否可推广到其他细胞实体和其他变形机制（弯曲与拉伸），他们创建了八位组桁架的打印模型以及修改为具有板状和杆状元素的八位组桁架模拟松质骨的微观结构和各向异性（图4A）。松质骨微观结构显示弯曲主导行为，八位字节桁架显示拉伸主导变形行为，类骨微结构显示拉伸和弯曲变形行为的组合。在类骨微结构中，横向支柱厚度的增加导致疲劳寿命增加了8倍（图4B），密度（+4%）或纵向刚度（+20%）只有很小的变化）。在八角形桁架中，横向支柱厚度的增加导致疲劳寿命增加了5倍（图4B），而密度（+10%）或纵向刚度（+14%）只有很小的变化（图4B）。

▲图4. 横向体积影响重复多孔固体的疲劳寿命。(A) 显示了受骨骼启发的微结构和八位组桁架的图像。（比例尺：5 毫米。）（B）显示了按设计打印或带有加厚（彩色）棒状支柱的微结构材料的疲劳寿命。加厚横向支柱会增加疲劳寿命，而加厚垂直方向的支柱会降低疲劳寿命（还显示了比刚度，E0/ρ）。

改性松质骨微结构的增材制造
在机械加载之前收集的松质骨样本的微计算机断层扫描图像通过向表面添加材料进行数字化修改。高分辨率立体光刻系统（M1；碳）用于从氨基甲酸酯甲基丙烯酸酯聚合物树脂（UMA 90；碳；E = 2 GPa）以 1.5 倍各向同性放大倍数（12 -mm 直径，~30-mm 长度）。使用显微计算机断层扫描图像确认了打印几何形状的准确性。通过增材制造生成的模型接受从 0 到标准化初始压缩应力 σ/E0 的循环疲劳载荷，对应于 9,500、6,500 或 4,500 με，直至失效（施加 4% 的应变）。该实验总共使用了 45 个松质骨微结构模型（5 个不同的微结构 × 3 个不同的杆厚度 × 3 个不同的归一化应力大小）。聚合物样品中的损坏使用不透射线的染料渗透剂进行鉴定。

▲图5. 研究人员设计了一种具有与人体小梁相同数量的棒状和板状结构的材料，并将它们以周期性模式排列，从而提供了一种增强轻质3D打印结构的新方法。图片来源：普渡大学照片Pablo Zavattieri

本文来源：Ashley M. Torres et al, Bone-inspired microarchitectures achieve enhanced fatigue life, Proceedings of the National Academy of Sciences (2019). DOI: 10.1073/pnas.1905814116