《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Material-dependent viscoelastic performance of TPU and PEBA gyroid intervertebral disc replacements under quasi-static and cyclic compression
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热塑性聚氨酯（TPU）和聚醚嵌段酰胺（PEBA）为增材制造椎间盘替代物提供了不同的力学特性。本研究采用统一的二次分析对原始标本级数据集进行比较，研究对象为具有相同名义解剖衍生L4/L5几何形状的单材料Gyroid结构。所选几何构型#08包含6 mm的晶胞尺寸和
热塑性聚氨酯（TPU）和聚醚嵌段酰胺（PEBA）为增材制造椎间盘替代物提供了不同的力学特性。本研究采用统一的二次分析对原始标本级数据集进行比较，研究对象为具有相同名义解剖衍生L4/L5几何形状的单材料Gyroid结构。所选几何构型#08包含6 mm的晶胞尺寸和0.75 mm的名义壁厚，且无外围壁。研究中考察了FlexHard和FlexMed两种TPU配方，以及Spectrum和SainSmart两种PEBA配方。每种材料额外制备了三个未加载的参考标本，用于尺寸、重量和微观表征。FlexHard、FlexMed和Spectrum满足了预定义的准静态筛选标准（50%压缩下力值为4000–8000 N），而SainSmart低于4000 N，因此未进行动态测试。符合条件的组别完成了700,000次循环压缩（载荷范围600至2000 N，频率5 Hz），未出现明显机械失效（每组n=3）。研究人员在100,000次调节循环后的最终600,000次循环中评估了各项结果。结构刚度方面，FlexHard增加了16.1%，FlexMed增加了76.5%，而Spectrum下降了10.6%。表观储能模量在两个TPU组中分别增加了30.9%和44.1%，在Spectrum中下降了10.3%。平均损耗模量在两个TPU组中增加，在Spectrum中下降，尽管多重性调整后各材料内部的变化不显著。所有三组的Tan δ和比阻尼容量均下降，其中两种TPU配方的平均阻尼容量始终高于Spectrum。加载结束后，TPU标本保留了约90%的初始高度，而Spectrum约为95%；所有组别在24小时后恢复至约97%–99%。这些探索性发现识别了在载荷支撑、能量耗散、循环适应性和恢复方面的互补特性。由于不同源数据集的制造条件存在差异，本结果表征了所研究的材料–制造组合的性能，并为配方、加工工艺和结构的联合优化提供了依据。
研究背景与目的
椎间盘退变是慢性腰背痛的主要诱因之一，晚期常采用脊柱融合术治疗。然而，融合术虽能提供临床稳定性，却会限制节段运动并改变生理负荷传递，可能加速邻近节段退变。这促使研究人员开发保留运动的椎间盘替代物，旨在恢复椎间盘高度和承载能力的同时维持脊柱节段的力学功能。增材制造技术能够将解剖衍生的外部形状与精确控制的内部架构相结合，为开发力学适应性椎间盘替代物提供了通用平台。其中，三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface, TPMS）结构因其连续曲面和光滑曲率而备受关注，可通过拓扑、晶胞尺寸、壁厚和相对密度等参数系统性调整结构性能。Gyroid结构作为TPMS的一种，已被研究用作具备力学功能的椎间盘替代物概念，因其能提供柔性承载、大变形能力和粘弹性能量耗散，且无尖锐内部过渡。先前研究表明，热塑性聚氨酯（TPU）Gyroid结构可承受重复压缩载荷，其准静态和循环响应受架构和TPU配方的强烈影响。聚醚嵌段酰胺（PEBA）由柔性聚醚链段和较刚性的聚酰胺嵌段组成，兼具高变形能力、回弹性和与材料挤出增材制造的兼容性，成为TPU的潜在替代材料。然而，TPU和PEBA此前主要在各自独立的研究中被探讨，涉及不同的材料选择和几何筛选策略，其报告的力学响应无法直接比较。天然椎间盘的力学功能不能仅用压缩刚度代表，其表现出非线性、速率依赖和时间依赖行为，受加载历史、水合状态、退变程度和测试条件的影响。因此，潜在的弹性体替代物必须同时提供足够的载荷支撑、能量耗散、限制重复加载下的渐进变形以及卸载后的高度恢复。本研究旨在通过统一的二次分析方法，比较相同名义解剖衍生L4/L5外部几何形状下单材料TPU和PEBA Gyroid结构的准静态和循环力学行为，假设两种材料体系会产生截然不同的力学特征曲线。
研究方法与技术路线
本研究结合了对先前单材料TPU和PEBA Gyroid结构实验数据集的二次比较分析，以及对新制造未加载参考标本的前瞻性表征。研究人员从原始研究中获取了标本级数据并重新处理，仅纳入具有相同L4/L5外部几何形状和Gyroid构型#08（晶胞尺寸6 mm，壁厚0.75 mm，无外围壁）的数据。四种商用热塑性弹性体长丝被纳入研究：Extrudr公司的FlexHard（邵氏硬度58D）和FlexMed（98A）TPU，以及SainSmart（90A）和Spectrum（92A）PEBA。力学分析完全基于先前生成的数据，未新增机械测试标本。此外，每种材料专门制造了三个未加载参考标本用于标准化尺寸、显微和照相表征。准静态压缩数据来自原始数据集，采用统一试验机以5 mm/min的压头速度加载至50%压缩或20 kN载荷极限。循环压缩数据来自伺服液压试验系统，标本在600至2000 N之间以5 Hz频率正弦加载共700,000次循环，前100,000次作为调节阶段排除。研究人员应用统一的计算程序对所有组别进行数据处理，包括回归法结构刚度、振幅法动态刚度、表观复模量、储能模量、损耗模量、损耗因子tan δ、耗散机械能和比阻尼容量的计算。相角通过力和位移信号的正弦拟合确定，滞回环面积通过数值积分计算。统计分析采用混合设计方差分析和Tukey事后检验，显著性水平设为p<0.05。
研究结果
3.1 尺寸与微观表征
所有四种长丝均可加工成基于几何#08的开放Gyroid椎间盘替代物结构。FlexHard和FlexMed紧密再现了0.75 mm的名义Gyroid壁厚，测量值分别为0.76±0.02 mm和0.75±0.01 mm，偏差分别为2.4%和0.9%。PEBA配方显示出更大的正偏差：Spectrum壁厚0.83±0.05 mm（偏差11.8%），SainSmart壁厚0.84±0.07 mm（偏差11.3%）。标本质量按FlexHard、FlexMed、Spectrum、SainSmart顺序递减，分别为10.687 g、10.297 g、9.877 g和8.820 g。立体显微镜图像确认了所有四组材料中开放Gyroid架构的完整性，打印壁连续且呈现特征性的层状表面形貌，未检测到宏观分层或完全结构断裂。
3.2 拉伸测试
四种材料的拉伸模量存在显著差异（p<0.001）。FlexHard表现出最高拉伸模量（124.12±6.56 MPa），其次为FlexMed（90.23±9.18 MPa）。两种TPU配方的拉伸模量显著高于Spectrum（53.42±20.91 MPa）和SainSmart（45.84±16.61 MPa），而两种PEBA配方之间无显著差异。随着应变增加，力学响应发生相对变化：在100%应变下，Spectrum达到13.24±0.19 MPa的标称应力，与FlexHard无显著差异；在200%应变下，Spectrum与FlexMed相当；在300%应变下，四种材料均彼此显著不同，按FlexHard、FlexMed、Spectrum、SainSmart顺序递减。FlexHard和FlexMed表现出明显的应力最大值后下降，可确定屈服应力和屈服应变；而两种PEBA配方在所测应变范围内均未出现明显屈服点。
3.3 准静态压缩
在压缩至50%初始高度的准静态测试中，所有FlexHard、FlexMed和Spectrum标本均达到4000–8000 N的预定目标力值范围。FlexHard的平均最大力最高（5783±727 N），其次为Spectrum（4613±202 N）和FlexMed（4342±204 N）。三种配方间的最大力存在显著差异（p=0.017），FlexHard显著高于FlexMed和Spectrum，而FlexMed与Spectrum之间无显著差异。两个SainSmart标本的最大力仅为3072 N和2633 N（描述性均值2852±311 N），均低于4000 N下限，因此被排除于后续动态压缩测试。
3.4 动态压缩行为
FlexHard、FlexMed和Spectrum #08标本均完成了700,000次循环加载协议，未出现明显机械失效。在分析的600,000次循环区间内：
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结构刚度：FlexHard从5,948±215增至6,904±249 N/mm（+16.1%），FlexMed从2,681±58增至4,729±279 N/mm（+76.5%），Spectrum从2,536±92降至2,268±82 N/mm（-10.6%）。
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表观储能模量（E′）：FlexHard从164.81±4.16增至215.60±3.93 MPa（+30.9%），FlexMed从99.31±1.07增至143.15±3.08 MPa（+44.1%），Spectrum从78.94±1.96降至70.86±2.64 MPa（-10.3%）。
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表观损耗模量（E″）：FlexHard从42.53±1.09增至46.45±1.16 MPa（+9.3%），FlexMed从27.56±0.58增至33.68±2.03 MPa（+22.1%），Spectrum从10.72±0.39降至6.65±0.63 MPa（-37.8%），但多重性调整后各组内部变化不显著。
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Tan δ：FlexHard从0.2581降至0.2155（-16.5%），FlexMed从0.2775降至0.2351（-15.3%），Spectrum从0.1357降至0.0940（-30.6%），各组内部降低均显著。
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比阻尼容量（ψ）：FlexHard从24.66%降至19.36%（-21.5%），FlexMed从25.45%降至18.75%（-26.3%），Spectrum从10.78%降至9.80%（-9.1%），各组内部降低均显著。
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高度恢复：循环加载结束后，FlexHard和FlexMed标本保留约90%初始高度，Spectrum保留约95%。24小时无载荷恢复后，所有三组均达到初始高度的约97%–99%。
讨论与结论
本二次分析比较了具有相同解剖衍生L4/L5外部几何形状和名义#08架构的单材料TPU和PEBA Gyroid结构。研究发现，FlexHard在准静态力容量、循环结构刚度、储能模量和损耗模量方面表现最高。FlexMed和Spectrum均满足准静态筛选标准，而SainSmart #08未达到所需力值范围而被排除于循环测试。在循环分析区间内，两种TPU配方的结构刚度和表观储能模量均增加，而Spectrum则下降。所有三组材料的Tan δ和比阻尼容量均下降，但两种TPU配方的平均阻尼容量始终高于Spectrum。高度恢复测量揭示了互补性能：Spectrum在循环加载后立即保留更大比例的初始高度，而所有三组在24小时后均恢复至约97%–99%。因此，承载能力、能量耗散、循环适应性和即时尺寸保持性并未倾向于同一种配方。
拉伸表征显示小应变拉伸模量的明确排序：FlexHard > FlexMed > Spectrum > SainSmart，这一排序大致反映在表观动态模量和FlexHard的高准静态力容量中。然而，结构压缩响应并非仅由拉伸模量决定——Spectrum的拉伸模量远低于两种TPU，但其准静态最大力与FlexMed无显著差异。这表明50%宏观压缩下的响应由完整的大应变材料–架构相互作用主导，而非初始拉伸模量单独决定。制造相关的差异也可能影响了结构响应：TPU参考标本的壁厚偏差约为1%–2%，而两种PEBA配方的正偏差超过10%。较大的实测壁厚可能部分补偿了Spectrum较低的拉伸模量，使其达到准静态目标范围。
所有三种动态测试的Gyroid结构均表现出循环依赖的力学响应变化，但方向和幅度差异显著。TPU组的结构刚度和储能模量增加，而Spectrum下降，表明在相同名义加载协议下存在不同的结构适应轨迹。Tan δ和比阻尼容量在所有材料中均下降，这与打印晶格的能量耗散行为取决于聚合物粘弹性和架构施加的变形模式的一般观察一致。高度测量揭示了互补的材料依赖权衡：Spectrum在循环加载后立即保留更大比例的高度，而TPU组表现出更大的即时变形；但24小时后所有材料均几乎完全恢复，表明即时加载后高度损失主要是可逆的，而非永久性结构坍塌的证据。
本比较表明，增材制造椎间盘替代物的材料选择不能基于单一力学参数，而必须综合考虑承载能力、循环刚度演化、能量耗散和卸载后恢复。没有一种配方在所有评估结果中都表现最优，因此应将材料视为具有不同功能特征曲线而非按单一性能指标排序。FlexHard可能在优先考虑高承载能力和抗变形能力时有利，但其较高刚度可能不利于更接近地再现天然椎间盘的柔顺和时间依赖行为。FlexMed提供较低初始结构刚度同时保持TPU配方较高的耗散行为，但循环中刚度增幅最大。Spectrum提供较低表观动态模量和阻尼容量但更好的即时高度保持性。这些探索性发现在载荷支撑、能量耗散、循环适应性和恢复方面识别出互补的特征曲线。由于源数据集之间的制造条件不同，本结果表征了所研究的材料–制造组合的性能，并为配方、加工工艺和结构的联合优化提供了依据。本研究设计为生物力学概念验证，未涉及生物相容性或临床适用性。
