综述：机械生物超材料的理性设计及其生物医学应用

这篇综述系统阐述了机械生物超材料（mechanical bio-metamaterials）在生物医学工程中的前沿进展，通过超越传统材料设计的视角，提出基于仿生（bioinspired）、刺激响应（stimuli-responsive）和功能驱动（function-driven）的创新设计范式。文章构建了从静态到动态、从简单到复杂的结构分类框架，强调微结构设计（如3D auxetic、TPMS15-17）对力学性能的调控作用，并探讨人工智能（AI）在正向/逆向设计、增材制造（AM）和预测模型中的革命性应用。

　　

设计因素与结构创新

机械生物超材料的设计灵感源于三大核心因素：仿生学启示（如骨小梁结构）、刺激响应机制（如温度/pH触发形变）和功能需求导向（如组织修复力学匹配）。不同于传统生物材料依赖成分的特性，这类材料通过精巧的微结构（如分级孔隙、折纸/kirigami构型^22,23）实现负泊松比、可调刚度等非凡性能。

AI驱动的设计革命

人工智能技术正颠覆传统设计流程：正向设计通过有限元分析（FEM）优化结构参数，逆向设计则利用深度学习从目标性能反推几何构型。4D打印技术进一步赋予材料时空动态响应能力，例如可随生理环境变化的自适应血管支架³⁵。

生物医学应用全景

• 工程化微环境：TPMS结构促进骨细胞定向生长，解决传统多孔材料骨整合难题²⁹；

• 智能植入物：嵌入式传感器复合结构实现实时生理监测；

• 外部治疗设备：基于折纸结构的可穿戴设备提供动态力学刺激；

• 侵入式器械：梯度刚度导管减少血管穿刺损伤。

未来展望

该领域需突破多尺度制造精度、长期生物安全性验证等挑战。融合AI与活细胞3D打印技术，或将催生具有自我修复能力的"生物杂交超材料"，为精准医疗开辟新纪元。