综述：3D打印聚合物超材料的疲劳性能研究

这篇综述深入探讨了3D打印（AM）技术制造的聚合物超材料（metamaterials）在循环载荷下的疲劳行为，重点分析了材料特性（如负泊松比NPR）、几何设计（如TPMS结构）和打印参数（如FDM层厚）对疲劳寿命的影响。文章强调了优化设计（如光滑几何、梯度晶格）和热传导性能对提升生物医学植入物（如骨支架）耐久性的关键作用，并指出计算建模（如FEM）与实验结合的未来研究方向。

　　

引言

自然界通过进化形成了复杂的结构，而现代增材制造（AM）技术正被用于仿生设计超材料（metamaterials）。这类人工设计的结构化材料能够操控自然材料无法实现的物理特性，如负泊松比（NPR）、负刚度和低密度。超材料的性能源于其基材与结构的协同作用，在机械、声学、电磁等领域展现出独特优势，其中机械超材料（如周期性晶格和泡沫结构）在生物医学应用中尤为重要。

结构超材料与可调性能

机械超材料分为周期性晶格（如六边形蜂窝）和随机泡沫结构。周期性晶格通过单元拓扑控制宏观性能，例如三周期极小曲面（TPMS）结构适用于组织再生。可调泊松比设计（如旋转方形结构）在骨科螺钉中表现出色，其负泊松比（-1.31）使植入物在拉伸时膨胀，提升固定力。此外，通过调节杨氏模量可匹配宿主组织刚度，避免应力屏蔽效应。

聚合物超材料的优势与挑战

聚合物超材料（如PEEK、PLA）凭借轻质、生物相容性和非磁性在医疗领域备受青睐。例如，TPMS与形状记忆聚合物结合可定制力学响应，而PU基负泊松比骨板能促进骨折愈合。然而，聚合物机械强度较低，且疲劳行为受热积累（因低热导率）和微观缺陷（如孔隙、层间粘附不足）显著影响。

3D打印技术的突破

多种AM技术（如FDM、SLA、SLS）可精确制造复杂超材料结构。例如，仿生蜂窝结构的能量吸收能力比传统设计高69%，而分级重入蜂窝（H-Reh）通过拉伸主导变形提升刚度。熔融电写（MEW）技术结合PCL的星形重入晶格，或SLA冻干的CNF/PEGDA支架，均展现出可调泊松比和促进细胞生长的多孔架构。

疲劳机制与关键影响因素

聚合物疲劳失效包括裂纹萌生（微缺陷和银纹）和扩展阶段。与金属不同，其疲劳行为受频率依赖性粘弹性影响，高频加载（1–25 Hz）可能导致热软化。3D打印缺陷（如孔隙、层间未熔合）和参数（如喷嘴温度190°C优于高温）显著影响寿命。例如，PLA水平打印（45°取向）的疲劳强度优于垂直打印，而ABS蜂窝填充（60%密度）通过减少应力集中延长寿命。

优化策略与创新设计

计算模型（如Digimat-AM^?）可预测疲劳损伤，而结构优化（如S型铰链）将局部应力从54 MPa降至8 MPa，疲劳恢复率提升至96%。梯度晶格（如八面体）通过调整支柱直径转移高应力区域，而TPU陀螺结构（X60材料）因热稳定性优于传统泡沫。生物启发设计（如星形构型）在动态载荷下表现优异。

结论与展望

当前研究证实，聚合物超材料的疲劳性能可通过几何优化（如光滑过渡、梯度密度）和材料改性（如导热填料）提升。未来需探索CFRP增强超材料、环境因素（湿度/UV）的长期影响，以及DLP/MJF技术的精密控制。实时温度监测和多尺度建模将推动其在个性化医疗植入物中的应用。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献结论。）