打印参数与喷嘴直径对Gyroid PCL支架有效微结构及压缩模量的影响

《Journal of Functional Biomaterials》：Influence of Printing Parameters and Nozzle Diameter on the Effective Microarchitecture and Compressive Modulus of Gyroid PCL Scaffolds

　　

基于三周期性极小曲面（Triply Periodic Minimal Surfaces, TPMSs）的三维支架因其高连通性以及将高孔隙率与机械完整性相结合的能力，在骨组织工程（Bone Tissue Engineering）领域受到日益广泛的关注。然而，在熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling, FDM）中，打印结构可能系统性地偏离标称设计，从而影响结构保真度及机械性能。本研究探究了FDM工艺参数及喷嘴直径对聚己内酯（Polycaprolactone, PCL）Gyroid支架有效微结构及压缩弹性模量（Elastic Modulus, E）的影响。首先，研究人员采用Taguchi L₁₈设计，评估了挤出温度、打印速度和流量速率对两种喷嘴直径（0.4 mm及0.3 mm）条件下孔径大小的影响。在第二阶段实验中，研究人员对三个标称孔隙率水平下制备的棱柱形试样进行了压缩测试以测定弹性模量（E），并通过密度测量法对实测孔隙率（?）进行了量化。研究观察到标称设计与打印支架结构之间存在系统性错配，孔径和实测孔隙率均持续低于其设计目标值。与孔径变异性相关的主导工艺参数具有喷嘴特异性：对于0.4 mm喷嘴，挤出温度的贡献最大；而对于0.3 mm喷嘴，打印速度的贡献最大。在压缩测试中，E随实测孔隙率的增加而降低，统计分析表明E–?关系具有喷嘴依赖性。总体而言，这些发现支持了一种基于有效打印微结构而非仅凭标称设计参数的"工艺-结构-性能"解释框架。本研究获得的实验刚度范围也为松质骨（Trabecular Bone）报道域值提供了探索性的机械学语境化参考，但并不意味着特定部位的支架选择。

本研究围绕熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling, FDM）制备的三周期性极小曲面（Triply Periodic Minimal Surfaces, TPMS）Gyroid结构聚己内酯（Polycaprolactone, PCL）支架展开，聚焦于工艺参数与喷嘴直径对有效微结构及压缩力学性能的影响机制，论文发表于《Journal of Functional Biomaterials》。

**研究背景与问题**

组织工程旨在通过细胞、生物材料与生化信号的协同作用修复或再生受损组织，其中三维支架为细胞黏附、增殖和分化提供结构支撑与适宜微环境。临床应用的支架需兼具生物相容性与可降解性，以期被新生组织逐步替代。增材制造技术实现了复杂多孔支架的可控构建，FDM因成本低、易获取且兼容热塑性生物材料而备受关注。PCL凭借其生物相容性、较低熔点及缓慢降解速率，在骨组织工程中广泛应用，尤其适用于需要兼顾可制造性与结构稳定性的支架应用场景。

除基材本身外，支架的内部结构显著影响其生物学与力学表现。孔隙率、孔径及孔道连通性调控细胞浸润、血管化和营养传输，同时决定整体刚度。通常高于50%的孔隙率有利于组织长入与物质运输，但过高孔隙率会削弱机械支撑。骨组织工程中，200–1000 μm的孔径范围被广泛报道，其中间值常与增强的血管化和组织长入相关。TPMS支架因能结合高孔隙率、高连通性与均匀应力分布而日益受到重视，Gyroid结构因其连续、无自相交的网络特性，在营养传输和机械载荷分布方面表现尤为突出。

然而，FDM制备的PCL支架打印结构对工艺条件高度敏感。挤出温度、打印速度和流量速率影响丝材沉积与孔隙形成，导致实际结构与计算机辅助设计（Computer-Aided Design, CAD）标称设计产生系统性偏差，最终孔径和孔隙率可能与设计值存在显著差异。尽管部分因素已被单独研究，但工艺参数与喷嘴直径如何共同影响Gyroid PCL支架的有效打印微结构及其与压缩行为的关系，尚缺乏整合性认识。这一局限在骨组织工程中尤为关键，因为支架性能强烈依赖于实际获得的结构而非理想设计。

**研究内容、结论与意义**

本研究旨在探究FDM工艺参数及喷嘴直径如何影响Gyroid PCL支架的孔径与实测孔隙率，以及由此产生的有效打印微结构与压缩刚度的关联。研究采用"工艺-结构-性能"框架，以实测孔隙率而非仅依赖标称设计参数，为支架性能的更真实解读提供依据。研究发现，标称设计与打印结构间存在系统性错配，孔径与实测孔隙率均持续低于设计值。0.4 mm喷嘴条件下挤出温度对孔径变异性贡献最大（41.5%），而0.3 mm喷嘴条件下打印速度成为主导因素（31.6%）。压缩弹性模量（E）随实测孔隙率（?）增加而降低，且E–?关系具有喷嘴依赖性。研究进一步将实验刚度范围与文献报道的松质骨刚度域值进行探索性比较，为支架设计的力学语境化提供参考。

**关键技术方法**

研究采用两阶段实验设计（Design of Experiments, DoE）：第一阶段基于Taguchi L₁₈正交阵列独立分析两种喷嘴直径（0.4 mm和0.3 mm）的工艺参数影响，利用立体显微镜（Leica S6D）及ImageJ软件测量孔径；第二阶段选取多目标分析帕累托前沿（Pareto Front）上的优化工艺条件，制备三种标称孔隙率（40%、50%、60%）的棱柱形试样（12.7 × 12.7 × 25.4 mm），依据ASTM D695-15标准在Instron 4469万能试验机上进行准静态压缩测试（十字头速度2 mm/min），并通过密度测量法测定实测孔隙率。统计分析包括方差分析（Analysis of Variance, ANOVA）、多目标优化、一般线性模型及双因素方差分析。

**研究结果**

**3.1 孔径分析（DoE1）**

3.1.1 0.4 mm喷嘴：18组Taguchi实验中，平均孔径始终低于标称值0.8 mm，范围0.481–0.709 mm，相对误差11%–40%。M4_18条件（120 °C，20 mm/s，110%）相对误差最小，但用于棱柱试样时出现局部坍塌和几何畸变；M4_9条件（100 °C，20 mm/s，110%）最终被选为DoE2参考条件。挤出温度为ANSigma唯一高度显著因素（p < 0.001），贡献率41.5%；打印速度次之（p = 0.022），贡献率9.1%；流量速率不显著。

3.1.2 0.3 mm喷嘴：平均孔径亦持续低于标称值0.6 mm，范围0.308–0.489 mm，相对误差19%–49%。M3_11条件（100 °C，10 mm/s，100%）相对误差最小且几何稳定性最优，被选为DoE2参考条件。打印速度成为主导因素（p < 0.001），贡献率31.6%；温度与流量速率贡献率各约8.2%，但均显著。

**3.2 压缩响应与实测孔隙率（DoE2）**

3.2.1 0.4 mm喷嘴：实测孔隙率持续低于标称值，φ_nom = 40%时实测约28%（E = 52.0 ± 3.0 MPa），φ_nom = 50%时约37%–38%（E = 34.5 ± 1.6 MPa），φ_nom = 60%时约46%–47%（E = 11.1 ± 0.7 MPa）。应力-应变曲线呈初始准线性区后渐进上升。

3.2.2 0.3 mm喷嘴：同样呈现实测孔隙率低于设计值，φ_nom = 40%时实测约28%（E = 30.5 ± 2.9 MPa），φ_nom = 50%时约37%–39%（E = 12.6 ± 1.3 MPa），φ_nom = 60%时约48%–49%（E = 3.7 ± 0.1 MPa）。E随?增加而系统降低。

**3.3 综合统计分析**

3.3.1 线性交互模型：以实测孔隙率为连续变量、喷嘴直径为分类变量的交互模型显示，E与?呈显著递减关系（p < 0.001），交互项显著（p = 0.024），表明E对?变化的敏感性因喷嘴直径而异，模型决定系数较高。

3.3.2 名义孔隙率与喷嘴直径对压缩弹性模量的影响：双因素方差分析揭示喷嘴直径（p < 0.001）、名义孔隙率（p < 0.001）及其交互项（p = 0.024）均显著。同一名义孔隙率下，0.4 mm喷嘴试样的E始终高于0.3 mm喷嘴。

**讨论总结**

研究确认了标称设计与实际打印结构间的系统性错配，孔径与实测孔隙率均持续偏低，主要源于丝材相对标称工具路径的膨胀。0.4 mm喷嘴最优条件（M4_18）向棱柱试样转移时出现制造不稳定性，提示薄板结构的几何保真度不一定能转化为块体结构的制造稳定性。喷嘴直径改变了主导工艺参数：较大喷嘴对温度更敏感，较小喷嘴对速度更敏感，后者因工艺窗口窄、对过沉积和热积累更敏感所致。

压缩响应应基于有效打印微结构而非仅名义CAD参数解读。实测孔隙率恒低于名义值，印证了有效制造结构与理想设计的差异。线性交互模型证实E–?关系的喷嘴依赖性，相同孔隙率变化对不同喷嘴直径产生不同刚度响应。0.4 mm喷嘴刚度11–52 MPa、0.3 mm喷嘴3.7–30.5 MPa的范围，与低-中等刚度松质骨报道值部分重叠，但仅为探索性力学语境化，非特定部位选择依据。

研究局限包括：未涉及各向异性、疲劳或循环加载效应；依赖密度测量而非三维成像表征内部结构；采用未补偿的切片与制造流程，绝对偏差幅度可能因设备、材料或补偿策略而异；未考虑复合材料、生物活性增强或表面涂层；生物学验证及临床前评估超出研究范围。

**研究结论**

本研究通过整合分析揭示了FDM工艺参数与喷嘴直径对Gyroid PCL支架打印微结构及压缩响应的影响。标称与实测结构间的系统性错配凸显了以实测几何描述符替代仅凭名义CAD参数解读力学性能的必要性。不同喷嘴直径下主导孔径变异性的工艺参数不同，压缩弹性模量与实测孔隙率的关系具有喷嘴依赖性，机械响应应置于有效打印微结构的"工艺-结构-性能"框架中解读。实验刚度范围为松质骨力学域值的探索性比较提供了基础，但不应作为特定部位选择的依据。未来研究需纳入各向异性、疲劳/循环加载、生物学验证、复合材料（如PCL/β-TCP）及三维成像表征，以全面拓展设计空间。