材料挤出增材制造PLA Gyroid晶格结构的正交各向异性压缩行为研究及其在骨组织工程中的应用

本研究针对材料挤出增材制造（MEAM）制备的PLA Gyroid晶格结构，系统分析了其正交各向异性力学行为。通过实验测试和数值模拟相结合的方法，研究人员确定了描述打印PLA正交各向异性弹性行为的9个参数，揭示了打印方向对结构力学性能的显著影响。研究发现Gyroid结构在打印方向上表现出更高刚度，且无论打印方向如何都呈现正交各向异性特征。该研究为优化骨组织工程支架设计提供了重要理论依据，对个性化医疗植入物的设计与制造具有指导意义。

　　

在生物医学工程领域，骨组织缺损的修复一直是个重大挑战。传统固体材料虽然力学性能良好，但往往无法满足骨组织工程对孔隙率、生物相容性和力学适配性的多重需求。近年来，晶格材料因其独特的性能优势而备受关注——它们不仅能够显著减轻重量，还具备优异的能量吸收和振动阻尼特性，更重要的是，可以通过精确控制孔隙结构来模拟天然骨的生物学微环境。

然而，设计理想的骨组织工程支架并非易事。这些支架需要满足一系列严格的要求：适当的力学性能（抗蠕变强度5-10MPa，杨氏模量50-100MPa）、良好的生物相容性和可降解性、合适的孔径（200-400μm）以及充分的 interconnectivity。聚乳酸（PLA）作为一种生物可降解聚酯，因其良好的生物相容性和可加工性，已成为软骨和骨组织工程中广泛应用的材料选择。

随着增材制造技术的快速发展，特别是材料挤出增材制造（Material Extrusion Additive Manufacturing, MEAM）技术的成熟，制备具有复杂内部结构的个性化支架已成为可能。在众多晶格结构中，Gyroid结构作为一种三周期最小表面（Triply Periodic Minimal Surface, TPMS）结构，因其优异的力学性能和流体传输特性，被认为是骨组织工程支架的理想选择。

但问题在于：大多数现有研究都将MEAM制备的晶格结构模拟为弹性各向同性材料，这与实际情况存在显著差异。由于MEAM工艺逐层堆积的特性，打印件必然存在各向异性。研究表明，正交各向异性（orthotropy）更能准确描述MEAM制备件的力学行为，这种各向异性表现在三个相互垂直方向上的性能差异。

为了准确评估MEAM制备的PLA Gyroid生物支架的力学性能，Jorge Sarmiento-O'Meara等研究人员开展了一项系统研究。他们不仅关注支架的宏观力学行为，还深入分析了打印方向对结构性能的影响，并首次将正交各向异性模型应用于Gyroid晶格结构的数值模拟中。

研究人员主要采用了实验测试与数值模拟相结合的研究方法。通过Creality Ender-3 V2 3D打印机制备了五种类型的试样：拉伸试样、压缩试样和Gyroid支架试样各五个，所有试样均使用eSun的PLA⁺线材打印。力学性能测试在25ST Tinius Olsen万能试验机和Autograph AG-IS 5KN SHIMADZU万能试验机上完成。数值分析则采用有限元方法，使用Gmsh?生成网格，Calculix?进行求解，通过逆向工程和试错法确定了描述材料正交各向异性行为所需的九个参数。

实验研究部分显示，通过拉伸和压缩试验获得的实验数据用于确定材料挤出增材制造PLA的正交各向异性行为。从这些测试中确定了描述打印PLA正交各向异性弹性行为的九个参数，这些参数随后被用于模拟五个gyroid支架的压缩测试。研究发现gyroid晶格结构在打印方向上表现出更高的刚度，并且无论打印方向如何，gyroid晶格结构的行为都是正交各向异性的。在一个垂直方向上的位移几乎是另一个垂直方向上的两倍，与打印方向无关。

数值分析部分揭示了正交各向异性弹性行为可以通过应变矩阵和应力矩阵来描述。通过逆向工程和试错方法确定了泊松比，最终找到了与实验数据最匹配的九个正交各向异性参数。模拟结果表明，打印方向影响gyroid晶格结构对载荷的响应。当载荷沿打印方向施加时，垂直方向的位移小于当载荷垂直于打印方向施加时这些方向的位移。无论打印方向如何，一个横向方向的位移几乎是另一个横向方向的两倍。

研究结论表明，通过数值和实验分析显示打印方向影响gyroid晶格结构对机械载荷的响应。当载荷沿打印方向施加时，垂直方向的位移小于当载荷垂直于打印方向施加时这些方向的位移。无论打印方向如何，一个横向方向的位移几乎是另一个横向方向的两倍。因此，通过材料挤出增材制造制造的gyroid结构具有由于其几何形状导致的正交各向异性分量，以及由于打印方向导致的另一个正交各向异性分量。对gyroid晶格结构中Von Mises应力的数值分析显示应力分布均匀，在孔隙曲率周围略有增加，并且没有应力集中器。将增材制造制造的gyroid支架模拟为正交各向异性弹性体澄清了打印方向对此类结构机械行为的影响。

这项研究的重要意义在于首次系统地表征了MEAM制备PLA Gyroid结构的正交各向异性力学行为，建立了准确描述这种行为的本构模型。研究发现不仅深化了对增材制造晶格结构力学行为的理解，还为设计性能优化的骨组织工程支架提供了重要指导。通过考虑打印方向对支架性能的影响，研究人员可以更好地设计具有定制化力学性能的骨植入物，推动个性化医疗发展。此外，研究中开发的正交各向异性参数确定方法也可应用于其他MEAM制备材料的研究中，为增材制造材料的标准化表征提供了新思路。