3D打印误差校正因子在单层波浪形拉胀支架有限元模拟中的整合及其组织工程精准力学分析

本研究针对FDM（熔融沉积建模）3D打印过程中因材料沉积不规则和层间相互作用导致的支架力学性能偏差问题，通过结合实验拉伸测试与有限元模拟（FEM），首次提出两种几何误差校正因子（横截面重叠不完整和丝径交联面积扩大）。研究以波浪形单层拉胀支架（auxetic scaffold）为模型，采用聚己内酯（PCL）材料，通过共聚焦显微镜量化打印缺陷，将模拟与实验结果的差异从14%降至3%，为组织工程中复杂多孔结构的精准力学预测提供了新方法。

　　

在组织工程领域，3D打印技术为制造仿生多孔支架带来了革命性突破，但理想设计与实际打印结构间的力学性能差异始终是瓶颈问题。熔融沉积建模（FDM）虽能高效加工聚己内酯（PCL）等生物材料，却因温度、层高、打印速度等参数波动导致丝径交联异常、层间粘附缺陷，直接影响支架的弹性模量（Young’s modulus）和负泊松比（NPR）等关键性能。这种偏差在具有特殊力学行为的拉胀结构（auxetic structure）中尤为显著——这类材料在拉伸时横向膨胀而非收缩，可模拟心肌、肌腱等天然组织的力学响应，但现有有限元分析（FEM）模型因忽略打印缺陷而预测失准。

为攻克这一难题，Tecnun School of Engineering的研究团队在《Bioprinting》发表研究，选取六种不同波幅的波浪形单层拉胀支架（灵感源自胶原纤维的波浪排列），通过融合实验力学测试、共聚焦显微镜三维重建和有限元模拟，首次建立了针对FDM打印误差的校正模型。关键技术包括：采用FDM打印PCL支架并进行拉伸试验测定弹性模量和泊松比；通过共聚焦显微镜获取丝径横截面高分辨率图像，量化交联面积扩大（达设计值的120%）和层间重叠缺失（仅完成76%）两大缺陷；基于VOLCO模型（一种基于体素的打印误差预测算法）开发校正因子，将FEM模拟刚度值修正至与实验数据误差<3%。

Results and discussion

1. 力学与数值表征差异：理想FEM模拟的刚度普遍低于实验值14%，表明打印缺陷显著增强结构刚性。波浪波幅增大时，拉胀效应（NPR<-0.2）与刚度呈负相关。
2. 打印误差分析：共聚焦显微镜揭示丝径实际交联面积比设计大20%，而Z向重叠仅达预期的76%，导致局部应力集中和有效模量升高。
3. 校正因子应用：引入几何补偿后，FEM预测曲线与实验数据R²>0.97，误差率从14%降至3%，验证了模型对复杂生物支架的普适性。

Conclusion
该研究通过量化FDM打印的几何缺陷，首次将共聚焦显微成像与体素化FEM结合，建立了可推广的力学校正框架。修正后的模型不仅能精准预测波浪形拉胀支架的力学行为，还为其他生物墨水（如胶原-羟基磷灰石复合材料）的打印优化提供方法论。其意义在于：① 解决了组织工程中“设计-制造-性能”链条的脱节问题；② 通过NPR调控拓展了支架在心肌修复、人工韧带等动态负载场景的应用潜力；③ 为多材料、多尺度生物打印的跨尺度模拟奠定基础。研究团队特别指出，未来需结合原位监测技术实现打印参数的实时反馈，以进一步提升校正模型的动态适应性。