仿生多级结构钛植入体：阳极氧化制备与几何形态对软组织区域特异性整合的影响机制研究

本研究针对FDM(熔融沉积成型)打印件刚度-韧性难以兼得的行业难题，创新性地结合蜘蛛丝核壳结构(Bouligand)与甲壳类螺旋层状结构，通过PLA-TPU双材料3D打印构建多级仿生架构。实验表明该设计使材料韧性提升3.8倍，刚度仅降低37.3%，实现了脆性材料向韧性材料的转变，为拓展增材制造在航空航天等领域的应用提供了新思路。

　　

在生物医学工程领域，钛植入体的表面特性直接影响其与人体组织的整合效果。传统研究多聚焦于植入体直径优化，却忽视了微纳级结构特征对区域特异性组织再生的调控作用。挪威科技大学Li Liang和Sigmund Arnts?nn Tronvoll团队在《Materials Characterization》发表的研究，通过创新性结合阳极氧化与熔融沉积成型(Fused Filament Fabrication, FFF)技术，揭示了多级结构钛植入体的制备规律及其几何形态对软组织整合的时空特异性影响。

研究采用双材料核壳结构设计，以聚乳酸(Polylactic Acid, PLA)为硬质外壳、热塑性聚氨酯(Thermoplastic Polyurethane, TPU)为软质核心，模拟蜘蛛丝的力学梯度特性；同时引入甲壳类生物外骨骼的Bouligand螺旋层状结构，构建具有双重仿生特性的多级架构。通过数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术和层压板理论(Laminate Plate Theory, LPT)分析，系统评估了不同螺距角(θ=15°-45°)对材料性能的影响规律。

研究结果显示：

1. 1.

   核壳结构使PLA-TPU复合材料的断裂韧性提升10.3倍，极限应变增加14.6倍

2. 2.

   15°螺距角的Bouligand结构展现出最优力学性能，弹性模量提升4.8%，能量耗散能力提高381%

3. 3.

   临界螺距角θ_c=24°是脆-韧转变的关键阈值，低于该角度时裂纹扩展路径呈现显著螺旋特征

4. 4.

   有限元分析证实应力分布呈余弦波动，最大主应力比σ₁^max/σ₂^max与E₁/E₂模量比直接相关

该研究的重要意义在于：

1. 1.

   建立了仿生多级结构与力学性能的定量关系模型

2. 2.

   提出了通过几何形态调控植入体-组织界面特性的新策略

3. 3.

   为开发兼具高刚度与高韧性的定制化医疗植入物提供了普适性设计框架

这项突破性工作不仅解决了增材制造领域长期存在的力学性能瓶颈，其揭示的"结构-功能"映射规律更可推广至骨科修复、牙种植体等生物医学工程领域，展现出广阔的临床转化前景。