空心壁三重周期极小曲面超材料：通过连续曲率实现机械韧性与生物整合的统一

推荐：本研究针对传统晶格材料在承重植入物应用中难以兼顾高强度、稳定失效模式和有效生物整合的难题，创新性地提出空心壁三重周期极小曲面（hollow-walled TPMS）超材料。通过布尔减法策略制备的Ti-6Al-4V晶格结构消除了节点应力集中，压缩强度超270 MPa，比能量吸收达32 J g-1，同时比表面积增加80%使成纤维细胞增殖提升66%。该研究为下一代植入物和航空航天系统提供了几何驱动的新型设计范式。

　　

在骨科植入物和航空航天领域，如何平衡材料的机械性能与生物功能性一直是重大挑战。传统晶格材料受限于不连续的几何结构和节点应力集中，往往面临高强度与生物相容性不可兼得的困境。而自然界的启示——如皮质骨的分级结构——则展现出力学性能与生物功能的完美统一。这种"鱼与熊掌"的困境催生了新型超材料的研究热潮。

研究人员通过创新性地将空心壁设计与三重周期极小曲面（TPMS）相结合，开发出具有连续曲率的空心壁超材料。这种结构采用Ti-6Al-4V ELI Grade 23合金，通过选择性激光熔化（SLM）技术实现精确制造。研究团队采用布尔减法策略，在保持开放互连通道的同时消除了节点应力集中源。

关键技术方法包括：1）基于nTop软件的TPMS拓扑优化设计；2）单步布尔减法策略实现空心壁结构；3）SLM制备工艺参数优化；4）显微CT和SEM表征结构完整性；5）准静态压缩测试评估力学性能；6）有限元分析应力分布；7）体外细胞实验评估生物相容性。

研究结果方面：
2.1. 设计与制造
通过布尔减法策略成功制备出壁厚精确可控的空心壁TPMS（hD）结构，显微CT证实内部通道无粉末残留，表面粗糙度Ra为8.6±2.9 μm，与常规TPMS（D）结构相当。

2.2. 力学性能与失效模式
hD结构展现出渐进式层间屈曲失效机制，与D结构的脆性剪切破坏形成鲜明对比。在相同密度下，hD的比能量吸收达32 J g^-1，是D结构的2.7倍。

2.3. 力学性能文献对比
Ashby分析表明hD结构的压缩强度（214-276 MPa）超越皮质骨标准，弹性模量（11.0-13.3 GPa）与皮质骨匹配，解决了传统植入物"应力屏蔽"难题。

2.4. 应力分析与尺度行为
有限元分析揭示hD结构通过内外壁"三明治"效应实现应力重分布，Gibson-Ashby模型显示其屈服强度尺度指数达1.88，显著高于常规结构。

2.5. 生物学性能
空心设计使比表面积增加80%，促成纤维细胞增殖提升66%（8.70±2.36×10⁵ cells mL^-1 vs 5.23±0.70×10⁵ cells mL^-1），代谢活性提高40%。

这项研究开创性地证明了空心壁TPMS结构在力学性能与生物功能协同优化方面的独特优势。通过几何创新而非成分调整，成功解决了植入物材料"强度-韧性-生物整合"的传统矛盾。其渐进式失效机制为承重植入物提供了更高的安全性，而增强的细胞响应则预示着更好的骨整合潜力。该设计策略可扩展至其他TPMS拓扑结构，为个性化医疗植入物和轻量化航天结构开辟了新途径。论文发表在《Materials》期刊，为多功能超材料设计树立了新标杆。