PLA Voronoi支架在准静态与冲击载荷下的孔隙率依赖性力学响应研究

《Materials Today Communications》：Porosity-Dependent Mechanical Response of PLA Voronoi Scaffolds under Quasi-Static and Impact Loading

本研究针对骨组织工程支架在动态载荷环境下的力学性能评估需求，系统探讨了采用熔融沉积成型（FDM）技术制造的聚乳酸（PLA）Voronoi结构支架在不同孔隙率（45%、55%、65%）和构建方向下的准静态与低速冲击力学性能。研究发现关键力学性能随孔隙率增加而降低，且构建方向和加载速率对性能有显著影响，冲击载荷下屈服强度表现出正应变率敏感性，而高孔隙率时杨氏模量呈现负敏感性。该研究为负载骨缺损修复中个性化支架的力学性能设计与安全评估提供了重要实验依据。

　　

每年全球有超过1.5亿例骨折报告，负载骨相关疾病和损伤已成为全球性健康负担。骨组织工程支架在骨修复中扮演着关键角色，它们不仅能替代受损骨区域，还能为新生骨组织形成提供支撑环境。增材制造技术的出现为模仿骨微观结构和根据特定缺损部位定制支架性能开辟了新途径。然而，开发低成本、生物相容且力学性能优异的负载骨缺损支架仍面临长期挑战。特别是，现有研究大多关注支架的准静态力学性能，而忽视了其在低速冲击载荷下的表现，这与日常活动中可能发生的跌倒、跳跃等意外情况密切相关。

发表在《Materials Today Communications》上的这项研究，聚焦于不同孔隙度水平（45%、55%和65%）和构建方向的Voronoi点阵支架在承重骨区域的适用性，特别强调了评估其在低速冲击条件下的性能。研究人员利用熔融沉积建模（FDM）技术，以聚乳酸（PLA）为原料制造支架，并通过选择较低的打印喷嘴温度来提高制造质量。

研究采用了几项关键技术方法：首先使用nTop软件设计不同孔隙率的Voronoi支架三维模型；接着通过优化参数的FDM技术（包括180°C打印温度、0.25mm喷嘴直径）进行支架制造；利用扫描电子显微镜（SEM）和微CT对支架形态进行表征；采用万能试验机和落锤冲击试验机分别进行准静态压缩和低速冲击力学性能测试；最后通过统计学方法对数据进行分析比较。

4.1. 支架形态

通过SEM和微CT分析显示，支架制造质量良好，具有优异的互联性，测量总孔隙率分别为44.1%、55.9%和68.3%，与设计值偏差在2-5%范围内。支架平均孔径分别为约1000μm、1200μm和1550μm，符合骨生长所需的200-1600μm范围。表面粗糙度测量表明其处于细胞粘附的可接受范围内。

4.2. 准静态压缩响应

应力-应变曲线显示所有样品均呈现初始线性弹性区域，随后平滑过渡到扩展塑性区域。屈服强度和杨氏模量均随孔隙率增加而降低，数值范围分别为16-4.8MPa和545-335MPa，与天然骨的力学性能兼容。有趣的是，在较低孔隙度（45%和55%）下，横向构建支架的杨氏模量高于水平构建的对应物，而在65%孔隙度时观察到相反趋势。能量吸收随孔隙率增加而减少，横向构建样品吸收能量较少。

4.3. 低速冲击响应

在低速冲击条件下，应力-应变曲线也呈现线性弹性区域和屈服后塑性区域，但所有样品的平台区域在整个过程中都出现明显波动。屈服强度和杨氏模量随孔隙度增加呈下降趋势，横向构建支架表现出较低的强度和刚度。冲击韧性分析表明，较低孔隙度的支架能更好地减轻突然冲击载荷的影响。断裂表面分析显示所有支架均呈现脆性断裂模式，伴有河流状标记。

4.4. 准静态和低速冲击性能比较

应变率敏感性分析表明，水平构建支架的屈服强度表现出正应变率效应，而横向构建样品在较低孔隙度下表现出可忽略的应变率敏感性。杨氏模量则表现出不同的趋势，水平构建样品从45%孔隙度的正效应过渡到65%孔隙度的负效应。

该研究得出结论，孔隙度低于65%的支架是更安全的选择，因为65%多孔支架在冲击载荷下容易损坏。将支架构建方向与骨轴对齐可能会降低横向力下的失效风险并提高植入物性能。这些发现对于设计能够承受日常活动中可能遇到的动态载荷的骨组织工程支架具有重要意义，为个性化医疗中支架的力学性能优化提供了实践指导。

研究还指出，将支架构建方向与骨轴对齐可能会降低横向力下的失效风险。例如，与股骨长度垂直排列的层可以更有效地承受轴向载荷，而平行排列可能在相同加载条件下导致性能较弱。这一发现对于临床实践中支架的定向植入具有重要指导意义。

这项研究的局限性在于仅测试了单一冲击能量下的支架性能。未来工作可以探索支架在重复冲击载荷下的性能，并通过优化打印参数进一步提高制造质量。总体而言，该研究为开发能够满足复杂生物力学环境要求的先进骨组织工程支架奠定了重要基础。