《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：3D-Printed CF-PLA Bone Plates with Metamaterial Structures: Design, Fabrication, and Mechanical Evaluation
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CF-PLA骨板 metamaterial 架构设计及其力学性能研究，通过FDM制造四类骨板（六边形、非入口、旋转正方形、四向），测试显示四向结构弯曲应力17MPa、模量1214MPa，拉伸强度24.5MPa，压缩强度40MPa，均优于其他结构，且刚度接近天然骨，有效缓解应力屏蔽问题，促进骨愈合。
作者：Ani Daniel、Hamed Bakhtiari、Alireza Nouri、Barun K. Das、Muhammad Aamir、Majid Tolouei-Rad
澳大利亚西澳大利亚州Joondalup市Edith Cowan大学工程学院先进材料与制造中心（CAMM），邮编6027
摘要
本研究介绍了碳纤维增强聚乳酸（CF-PLA）骨板的设计、制造及其机械性能，这些骨板采用了各向异性和非各向异性超材料结构。四种晶格结构的骨板（内凹型、旋转正方形型、四手性和六边形型）分别进行了弯曲、拉伸和压缩性能的评估。这些样品是通过熔融沉积建模（FDM）技术制造的。四手性结构表现出优异的弯曲能力，达到了17 MPa的弯曲应力和1214 MPa的弹性模量。在拉伸和压缩条件下，其强度（分别为24.5 MPa和40 MPa）和刚度（拉伸时为1441 MPa，压缩时为2352 MPa）均最高，而旋转正方形结构则实现了柔韧性和强度的良好平衡。与各种金属板（如钛（Ti）和钢）相比，CF-PLA超材料骨板的刚度显著较低，这表明它们有助于减少应力屏蔽并促进骨骼愈合。特别是四手性和旋转正方形结构，在拉伸和压缩性能上均优于非各向异性六边形结构。研究结果强调了3D打印CF-PLA超材料结构作为金属骨板替代品的潜力。通过进一步优化，这类设计可以实现具有更好生物力学兼容性和愈合效果的个性化植入物。
引言
骨板在骨科手术中用于在创伤性损伤或截骨术后稳定和支持骨折的骨头。它们能够确保骨折段的牢固固定，精确对齐，并在骨折部位施加压缩应力以促进骨骼愈合[1]。当标准骨板无法适应患者的解剖结构时，越来越多地使用个性化骨板。这些定制骨板在骨折固定方面提供了更高的精度和稳定性，同时通过更好的解剖适应性减少了手术时间并改善了术后结果[1]、[2]、[3]。骨板设计和制造时还需要考虑应力屏蔽问题。当大部分载荷由骨板承担而非骨头本身承担时，就会发生应力屏蔽现象[4]，从而导致骨头承受的应力降低[4]。因此，植入物的成功与否取决于骨-植入物界面处的机械应力如何传递到周围的骨头[5]、[6]。如果应力屏蔽问题得不到有效解决，可能会抑制骨骼重塑并延缓愈合，甚至导致骨板松动和关节变形。由于大多数金属的刚度高于天然骨，应力屏蔽在金属骨板中是一个主要问题。为了解决这个问题，应降低骨板的刚度，使其更接近天然骨的刚度[7]。可以通过多种策略减轻或最小化骨科植入物中的应力屏蔽，例如优化植入物几何形状、使用多孔或晶格结构，以及选择刚度与天然骨相匹配的材料[8]。在这些方法中，用与天然骨刚度相近的聚合物基复合材料替代金属骨板是一个特别有前景的选择。聚合物基骨板相比金属植入物具有许多优势；然而，它们也存在显著的机械局限性。例如，可生物降解聚合物虽然重量轻、弹性模量低（通常在0.4到7 GPa之间），但其有限的机械强度对有效的骨骼固定带来了挑战[9]、[10]。
可以使用不同的制造技术将各种聚合物基体与碳纤维（CF）结合，从而制造出具有独特性能的复合材料。碳纤维增强聚合物（CFRP）作为轻质、高强度、透射X射线的材料，逐渐被应用于医学领域，成为金属植入物的替代品[11]。这些应用包括骨科和牙科植入物、颅面手术以及组织工程支架[12]。CF植入物已获得FDA批准[13]。用于医疗设备的CF复合材料需要经过生物相容性评估，包括毒性和致敏性测试（ISO 10993-10-1995标准）。此外，CF在医疗设备中受到青睐，因为它具有透射性，不会在CT/MRI扫描中产生伪影，并允许进行放射治疗而不会产生反向散射[14]。研究表明，CFRP可以促进骨骼植入物的骨整合，在某些应用中甚至优于传统钛合金[15]。然而，当CF增强聚合物植入物受到反复的生理载荷时，可能会出现局部微观结构损伤。对CF-PEEK骨折板的回收研究表明，其表面粗糙，碳纤维暴露（尤其是在螺丝孔周围），并伴有聚合物碎片。碳纤维碎片和磨损颗粒可能被检测到并引起异物反应[16]，但这种反应通常较轻且不会进展[16]、[17]、[18]。Wolter等人[12]报告称，CF可以最大限度地减少异物反应，并且尽管随着时间的推移可能会断裂，但结缔组织的形成仍能维持其机械功能。CF微粒会被巨噬细胞或多核巨细胞吸收，并通过淋巴系统运输，而不会引起显著的不良反应[12]。Claes等人[20]发现，刚性不锈钢板（190 GPa）通过内骨吸收导致更大的骨丢失，而更柔性的碳纤维增强碳（CFC）板（60 GPa）则较少。Zaheer等人[21]发现，柔性CF-Nylon板（40 GPa）比不锈钢板更能促进骨折愈合和组织形成，突显了复合骨板在支持软骨内骨化方面的优势。由于复合骨板的柔韧性，它们能更好地促进组织形成[21]、[22]。与未增强的聚合物（如PEEK/PLA）相比，CF增强材料恢复了所需的结构性刚度和抗疲劳性，同时避免了金属的高刚度[23]。Paz-Gonzalez等人[24]报告称，聚乳酸（PLA）/CFRP结构复合材料的弹性模量和强度分别是天然骨的1.25倍和1.88倍。此外，细胞活力测试显示这些材料中的细胞增殖率超过80%[24]。
当骨折间隙较小时，柔性固定比刚性固定更有效[25]、[26]。也有研究表明，完全的刚性固定会导致骨骼再生不佳；因此，一定程度的运动对于有效的骨骼愈合是必要的[27]、[28]、[29]、[30]。Perren的断裂间隙应变理论指出，断裂间隙中形成的组织类型取决于该处的机械应变程度。这种应变表现为骨折间隙在载荷作用下的变形量（位移）与间隙原始宽度的比值（ε = δL/L）。适当的应变水平对于成功的骨折愈合至关重要，因为它们能促进骨痂形成和骨骼桥接。只有在大约2%的局部应变下，才会形成成熟的层状骨；而编织骨作为初始且组织结构较松散的形式，可以承受高达约10%的应变[31]。还观察到，当固定板与骨头表面的接触较少时，骨头表现出更高的强度和更低的孔隙率[32]。
超材料是一种新概念，可以创造出具有特殊性能和改进功能的材料[33]。超材料是通过组合组成材料和精心设计的结构人工制造的结构，其独特性能源于这种组合[8]、[34]、[35]。超材料以其不寻常的机械性能而闻名，如低密度[34]、超轻[34]、负泊松比[35]、负刚度[35]和负热膨胀[36]。与传统通过修改化学成分的方法相比，超材料采用了一种不同的结构设计方法[37]。用于生物医学应用的超材料被称为“元生物材料”[38]。研究表明，超材料结构可以促进骨板中的微运动。Mehmood等人[39]探索了创新的各向异性聚合物设计，能够在保持固定的同时提供可控的微运动。各向异性超材料具有负泊松比（拉伸时横向膨胀），因此具有降低应力屏蔽的潜力[39]。Vijayavenkataraman等人[40]开发了具有各向异性结构的骨板，这些结构将弯曲刚度降低到54.40 N/mm，而传统结构为491.29 N/mm，从而减轻了应力屏蔽。采用内凹蜂窝结构的骨板表现出更高的弯曲强度、更低的弯曲刚度和更平滑的弯曲轮廓[40]。
由于超材料的复杂几何形状和结构，传统的制造方法无法生产它们。然而，3D打印技术的制造自由度为生物医学工程领域的发展提供了多种聚合物结构的可能性[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]。熔融沉积建模（FDM）是最常见且应用最广泛的3D打印方法，用于生产聚合物部件[49]。PLA和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）等主要聚合物材料通常采用FDM技术进行加工，因为这种技术适用于热塑性材料的加工且成本效益高[49]、[50]。FDM技术使用一根丝材，在喷嘴中加热至半液态，然后由切片软件引导，逐层沉积在构建平台上[33]、[51]、[52]。Maqsood等人[10]评估了通过FDM制造的CF增强PLA复合材料的机械强度，发现其拉伸强度和杨氏模量分别为245.40 MPa和27.93 GPa，比纯PLA样品高出460%。结果还表明，增加基体中的纤维增强含量可以提高杨氏模量。
本研究概述了使用FDM工艺设计和制造超材料结构CF-PLA骨板的过程。据我们所知，这是首次系统研究结合不同超材料结构的CF-PLA骨板的机械性能。通过全面的机械表征（包括三点弯曲、拉伸和压缩测试）来评估其性能，并确定最适合骨科应用的结构。这些结果为四种超材料配置的弯曲、拉伸和压缩响应提供了新的见解，为优化个性化骨固定板提供了指导。
材料与方法
本研究中的CF-PLA骨板旨在作为临时骨科固定板使用，在骨骼愈合期间提供机械支持，随后随着聚合物基体的降解逐渐释放载荷。PLA是一种公认的可生物降解聚合物，其在体内的水解降解过程通常需要几个月到几年的时间，具体取决于分子量、结晶度和植入物几何形状，因此适用于临时用途
弯曲测试
进行弯曲测试是为了确定每种超材料组打印样品的弯曲性能。根据ASTM D790标准，弯曲测试应进行到应变限制为5%（即本例中的14毫米变形）或样品失效为止，以先发生者为准。每种超材料配置（六边形、内凹型、旋转正方形型和四手性型）的平均弯曲应力-应变响应如图6所示
结论
结果表明，超材料结构可以显著影响3D打印复合骨板的机械性能。在所有测试的设计中，四手性结构在所有加载模式下均表现出优异的机械性能。其弯曲屈服强度达到17 MPa（弹性模量为1214 MPa），拉伸强度为24.5 MPa（弹性模量为1441 MPa），压缩强度为40 MPa（弹性模量为2352.9 MPa）。这些结果突显了其优异的性能
作者贡献声明
Muhammad Aamir：验证、资源、方法论。Barun K. Das：撰写-审稿与编辑、可视化、监督、方法论、数据分析、概念化。Alireza Nouri：撰写-审稿与编辑、可视化、监督、方法论、数据分析、概念化。Hamed Bakhtiari：撰写-审稿与编辑、可视化、软件、方法论、调查、数据分析、概念化。Ani Daniel：撰写-审稿
数据可用性声明
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利益冲突
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
第一作者感谢Edith Cowan大学提供的（ECU-HDR）高级学位研究奖学金。
