FDM制备TPMS骨支架拓扑结构与孔隙率耦合作用下的力学性能对比研究

《Biomimetics》：Beyond Porosity: Topology-Dependent Mechanical Response of PLA TPMS Structures Under Bone Scaffold Design Constraints

　　摘要骨支架三重周期极小曲面（TPMS）结构的设计通常依赖于固定孔隙率条件下的对比研究。然而在挤出成型工艺中，保持壁厚不变而改变胞体尺寸时，孔隙率、孔径与胞体尺度之间存在耦合效应。本研究采用熔融沉积成型（FDM）技术，使用商用PLA + HS线材制备并对比了基于片层的Gyroid（旋转面）、Diamond（菱形面）和Primitive（原始面）三种拓扑结构。实验共设计22种构型，每种构型制备5个试样，名义壁厚为0.20 mm，设计孔隙率范围为44.4%–78.5%。称量测量结果表明，实测实材料分数与设计值之间存在与拓扑结构相关的偏差，但无法验证内部几何的保真程度。表观弹性模量在74.30至605.06 MPa之间，第一峰抗压强度为1.59至16.82 MPa。协方差分析揭示了显著的拓扑结构与孔隙率之间的交互效应。Diamond结构通常表现出最高的刚度和强度，且其相较于Gyroid结构的优势随孔隙率升高而逐渐缩小。Gibson–Ashby拟合在测试范围内较好地捕捉了与拓扑结构相关的刚度标度关系。这些发现可为常规制造和加载条件下的力学结构选型提供支撑，但并未验证其生物有效性，也未确立该商用线材用于植入应用的适用性。