基于支柱结构的新型拉胀超生物材料用于仿生小梁骨支架的设计与性能研究

本研究针对骨科植入物应力屏蔽效应和骨整合需求，提出了一种具有负泊松比(NPR)的支柱型多孔钛合金仿生支架。通过结合Euler-Bernoulli/Timoshenko梁理论解析模型与有限元(FE)模拟，开发出孔隙率(50-90%)、杨氏模量(0.1-4GPa)与椎体松质骨匹配的拉胀超材料，实验验证其泊松比达-0.51~-0.96，为脊柱肿瘤植入物提供了兼具力学适配性和骨长入促进功能的新方案。

　　

在骨科植入物领域，传统致密金属材料与天然骨组织的力学性能失配长期存在，导致应力屏蔽效应(stress-shielding)和植入物松动。特别是椎体松质骨(cancellous bone)这种具有复杂多孔结构的组织，其孔隙率(50-90%)和弹性模量(0.1-4GPa)的仿生重建极具挑战。尽管增材制造(AM)技术为制备多孔支架提供了可能，但现有设计往往难以同时实现力学适配性和促进骨长入(osseointegration)的功能需求。

意大利研究团队A. Sorrentino等人在《International Journal of Engineering Science》发表的研究，创新性地将拉胀机械超材料(auxetic metamaterials)概念引入骨科植入物设计。受Sorrentino和Castagnetti提出的旋转三棱柱铰接结构启发，团队开发了由支柱(strut-based)棱柱单元通过手性韧带(chiral ligaments)连接的仿生架构。通过解析建模结合有限元(FE)仿真，系统评估了这种新型meta-biomaterials的准静态(quasi-static)力学性能，并采用选择性激光熔化(SLM)技术制备聚合物原型进行实验验证。

关键技术方法包括：1) 基于Euler-Bernoulli和Timoshenko梁理论建立解析模型；2) 采用周期性边界条件构建参数化有限元模型；3) 通过标准化弹性模量(E_y/E_s)和屈服应力(σ_y^ys/σ_s^ys)评估性能；4) 使用聚合物3D打印原型进行力学测试验证NPR效应。

【设计原理与性能特征】
研究设计的单元细胞由棱柱形支柱框架构成，通过角部手性连接实现负泊松比(NPR)效应。解析模型显示，该结构可呈现横向各向同性(transverse isotropy)特性，且通过调整几何参数可获得-0.51至-0.96的泊松比范围，与椎体松质骨的力学性能高度匹配。

【力学性能验证】
有限元分析结果与解析解呈现良好一致性，归一化弹性模量(E_y/E_s)和屈服应力(σ_y^ys/σ_s^ys)的预测误差小于5%。特别值得注意的是，特定构型下结构展现出独特的双轴拉伸-压缩耦合响应，这种特性有利于分散植入物-骨界面的应力集中。

【实验验证】
聚合物原型的压缩测试证实了拉胀行为的存在，当轴向应变达10%时，横向膨胀率与数值预测偏差不超过8%。微观CT分析显示实际制备的孔隙率与设计值偏差控制在3%以内，证实了AM工艺的精确性。

该研究的重要意义在于：1) 首次将支柱型拉胀结构与仿生小梁骨设计相结合，解决了传统多孔材料力学性能调节范围有限的问题；2) 建立的解析模型为类似超材料设计提供了普适性理论框架；3) 验证了此类结构在降低应力屏蔽(杨氏模量可调至0.5GPa)同时保持足够屈服强度(>50MPa)的双重优势。这些发现为开发新一代脊柱肿瘤椎体重建植入物奠定了理论基础，特别是对于需要兼顾力学适配性和骨长入促进功能的临床场景具有重要价值。未来研究可进一步探索该架构在动态载荷下的疲劳特性及其对成骨细胞分化的生物学影响。