《Macromolecular Materials and Engineering》：Physicochemical Characterization and Hydrolytic Stability of TPMS-Architected Nerve Guide Conduits Fabricated by DLP 3D Printing
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在文献中，有限的研究调查了基于三周期极小曲面（TPMS）的神经导管（NGC）的电导率、溶胀行为和降解性能的综合效应。在本研究中，研究人员通过数字光处理（DLP）制造了四种TPMS几何结构（Schwarz、Gyroid、Diamond和Split-P）和一种实心
在文献中，有限的研究调查了基于三周期极小曲面（TPMS）的神经导管（NGC）的电导率、溶胀行为和降解性能的综合效应。在本研究中，研究人员通过数字光处理（DLP）制造了四种TPMS几何结构（Schwarz、Gyroid、Diamond和Split-P）和一种实心圆柱几何结构，并进行了比较评估。电学测量表明，电导率主要取决于内部结构。实心圆柱体表现出最高值（2.85 × 10?4 S/cm），其次是Gyroid（2.80 × 10?4 S/cm）。Diamond结构表现出最低的电导率（1.53 × 10?4 S/cm）。八周的体外降解测试显示，多孔TPMS结构中质量损失加速；在TPMS设计中，Gyroid表现出最高的降解速率（剩余质量96.16%），而Schwarz结构表现出最高的质量保留率（98.62%）。压缩测试证实，所有基于TPMS的通道在生理相关载荷下均保持足够的机械完整性。研究结果表明，TPMS结构为定制NGC的电学、机械和降解行为提供了一种有效的设计参数，而无需改变基底材料，提示了神经再生应用的潜力。
**论文解读：TPMS结构神经导管的物理化学与水解稳定性研究**
**研究背景与问题**
外周神经损伤（PNI）是临床常见问题，传统神经自体移植存在供区功能丧失、二次手术需求等缺陷。神经导管（NGC）作为替代方案，需模拟天然神经的电生理环境、提供三维再生结构，并具备足够的机械强度与生物相容性。然而，现有NGC设计在同时实现电导率、溶胀行为、降解性能等综合物理化学性能方面研究有限。三周期极小曲面（TPMS）结构因其高比表面积、连续孔隙率和可调几何参数，在骨组织工程中已获成功，但在NGC中的应用尚属空白。本研究旨在系统评估TPMS内部结构对NGC电导率、力学性能、热稳定性、溶胀吸收及水解降解行为的影响，验证拓扑结构作为独立于材料的多功能设计参数的可行性。论文发表在《Macromolecular Materials and Engineering》。
**研究方法**
本研究采用数字光处理（DLP）3D打印技术，以BASF Ultracur3D ST 45光敏聚合物为材料，制备四种TPMS结构（Schwarz、Gyroid、Diamond、Split-P）及实心圆柱对照（内径4 mm，壁厚1 mm，长度10 mm）。主要技术方法包括：四点探针法测量表观电导率（FPP-470，17°C条件下）；磷酸盐缓冲液（PBS，pH 7.4）中72小时溶胀吸收测试及8周体外降解测试（ASTM F1635-04）；差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）表征热稳定性；以及万能材料试验机（Instron 3369，50 kN）进行压缩力学测试。所有样品均在同一打印参数下制备（层厚100 μm，曝光时间3.5 s，波长405 nm），并经过后处理（异丙醇清洗10 min，固化40 min）。密度与相对密度通过阿基米德法测定。
**研究结果**
**3.1 物理化学性质**
**3.1.1 压缩力学性能**
压缩测试显示，实心圆柱体具有最高抗压强度（24.66 MPa）和弹性模量（239 MPa）。在TPMS结构中，Schwarz结构抗压强度最高（11.786 MPa），Gyroid最低（1.75 MPa）。所有设计的弹性模量均超过文献报道的NGC最低机械稳定性阈值（1.2 MPa），表明可在生理条件下维持结构完整性。Gyroid的低弹性模量（28.2 MPa）有助于减少与天然神经组织的刚度不匹配，而实心圆柱和Schwarz的高刚度可能增加机械不兼容风险。
**3.1.2 电导率性能**
在17°C下测量表观电导率，实心圆柱体最高（2.85 × 10
?4 S/cm），其次为Gyroid（2.80 × 10
?4 S/cm）、Schwarz（2.60 × 10
?4 S/cm）、Split-P（2.33 × 10
?4 S/cm），Diamond最低（1.53 × 10
?4 S/cm）。实心圆柱测量重复性最高（σ
S=0.0072），而Diamond结构由于内部几何复杂性导致标准偏差较大。这些值应视为表观电响应，而非材料本征电导率。
**3.1.3 热稳定性**
DSC和TGA分析表明，ST45光敏聚合物在30°C–300°C范围内无结晶峰，为完全无定形交联结构。热降解起始温度约320°C，最大降解速率在430°C–440°C，500°C后几乎完全分解，证实材料为高纯度有机聚合物，在生理温度（37°C）及潜在灭菌过程中保持结构稳定。
**3.2 体外稳定性与降解动力学**
**3.2.1 溶胀与吸收行为**
72小时PBS孵育后，Split-P和实心圆柱表现出正质量变化（+2.04%和+0.62%），而Schwarz、Diamond和Gyroid为负质量变化（?0.79%、?0.52%、?0.09%）。负值可能源于材料疏水性、表面侵蚀或未反应组分的释放，以及干燥步骤中部分吸收液体的去除。结果表明内部结构直接影响流体相互作用能力，Split-P的大内表面积有利于液体保留。
**3.2.2 体外降解行为**
8周降解测试中，Gyroid降解最快，剩余质量96.16%；Schwarz降解最慢，剩余98.62%；实心圆柱几乎无降解（剩余100.41%）。Diamond和Split-P剩余质量分别为97.15%和97.48%。降解速率与文献报道的2.3%–3.5%范围一致，表明TPMS结构可在神经再生所需时间（6–12周）内维持结构完整性，且降解行为可控。
**3.3 拓扑控制的多参数行为**
比表面积（SA/V）与平均质量变化呈弱线性相关（r=0.244），说明流体相互作用受表面拓扑和局部曲率控制，而非仅取决于SA/V。相对密度与电导率呈中等相关（r=0.616，R2=0.379），表明内部网络连续性对电荷传输更关键。Diamond结构尽管相对密度中等，但电导率最低，归因于其高曲折度和节点连接限制。研究证实TPMS拓扑可建立两个独立调控域：表面主导（SA/V和曲率）与体积连续性主导（相对密度和连接拓扑），实现机械与传输性能的解耦。
**讨论与结论**
本研究系统评估了TPMS结构在NGC设计中的物理化学与降解性能潜力。结果表明，内部拓扑是影响流体相互作用、降解动力学和力学行为的关键参数，且无需改变基底材料成分。热分析确认材料在生理和灭菌条件下稳定；力学性能满足最低阈值，但需注意刚度匹配；电导率测量揭示了表观电响应随几何结构变化的规律。降解测试显示可控的质量损失，与文献报道一致。研究局限性包括仅测试四种TPMS结构、缺乏细胞生物学评估及分子量变化、表面形貌等高级降解分析。结论部分翻译如下：本研究表明，TPMS结构是NGC设计中的重要物理化学控制参数。然而，研究结果并未直接证明生物再生成功，而是提供了在生理条件下结构稳定性、流体相互作用和可控降解行为的比较数据。因此，这些发现应被视为设计导向的基础，而非生物效能的直接证据，后续需进行细胞水平、体内验证及导电添加剂（如石墨烯、碳纳米管、PEDOT:PSS）整合研究。
