《Results in Materials》：Tensile Properties and Thermoformability of 3D-Printed PLA/TPE Hybrid Laminate Orthoses Under Environmental Stress.
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矫形器（Orthoses）是用于保护、辅助或限制骨骼肌肉及神经系统疾病患者活动的医疗装置。传统矫形器多采用刚性材料配合石膏铸造等手工方法制造，容易导致佩戴不适、贴合度差及长期使用中的卫生问题。增材制造（Additive Manufacturing, AM）为矫
矫形器（Orthoses）是用于保护、辅助或限制骨骼肌肉及神经系统疾病患者活动的医疗装置。传统矫形器多采用刚性材料配合石膏铸造等手工方法制造，容易导致佩戴不适、贴合度差及长期使用中的卫生问题。增材制造（Additive Manufacturing, AM）为矫形器开发提供了变革性途径，能够生产轻量化、低成本且解剖学定制的装置。聚乳酸（Polylactic Acid, PLA）因良好的力学性能和生物相容性被广泛应用于矫形器制造，但其固有脆性限制了韧性；热塑性弹性体（Thermoplastic Elastomer, TPE）则提供柔韧性、耐湿性和冲击吸收能力。构建PLA/TPE混合层压结构可将刚性支撑与柔性舒适相结合，但实现可靠的层间粘接是关键挑战。本研究系统评估了三种粘接剂体系——氰基丙烯酸酯（Cyanoacrylate）、四氢呋喃基粘接剂（Tetrahydrofuran-based adhesive）和双组分环氧树脂（Two-part epoxy）——并结合热成型方式、环境温度、水暴露类型和消毒方法等多因素条件，通过田口L9正交实验设计（Taguchi L9 orthogonal array）对PLA/TPE层压矫形器的力学性能和环境耐久性进行了全面表征。研究人员采用熔融丝材制造（Fused Filament Fabrication, FFF）技术制备ASTM D638 Type IV标准拉伸试样，在Shimadzu AGS-X Plus万能试验机上进行拉伸测试，并通过体视显微镜对断裂表面进行失效模式分析。9组实验条件涵盖热成型方法（无热成型、60°C热水、60°C热空气）、储存/使用温度（4°C、环境温度、40°C）、水暴露（自来水、氯化水、仅环境湿度）及消毒方法（乙醇、肥皂溶液、无消毒）的组合效应。每组样品在顺序经历各处理阶段后进行拉伸测试评估。研究结果表明，氰基丙烯酸酯粘接剂在PLA-TPE粘接中表现出最优性能，所有测试样品均发生基材失效（Substrate failure）而非界面分离，且未观察到粘接失效；PLA厚度显著影响层压结构拉伸强度（p<0.001），归一化强度（51-57 MPa）和弹性模量（3270-3328 MPa）不随PLA厚度显著变化（p>0.03），证实PLA层为力学性能主导因素；温度测试显示PLA在40°C至50°C间力学性能急剧下降——50°C时最大应力和弹性模量分别较环境温度降低55%和29%；环境条件对极限拉伸强度无显著影响（P=0.40），但热成型方法对弹性模量产生显著影响（P<0.001，F=28.63），热空气热成型相比热水热成型提供更一致的刚度；氯化水（平均弹性模量最低1145 MPa）和乙醇消毒（平均弹性模量1159 MPa）为最不利的环境暴露条件。原型验证确认了该混合层压结构矫形器具有优异的可调性、透气性、可重复热成型能力、良好的贴合舒适度和粘接完整性，未观察到分层或材料分离现象。
## 研究背景与问题
矫形器是用于保护、辅助或限制肌肉骨骼和神经系统疾病患者运动的医疗装置。传统矫形器采用刚性材料配合石膏铸造等手工方法制造，临床使用中存在贴合度差、透气性不足和卫生隐患等突出问题，超过三分之二的患者报告过与石膏固定相关的并发症。增材制造技术的引入使轻量化、低成本和个体化解剖定制的矫形器生产成为现实，3D打印矫形器已被证实相比传统石膏固定具有更好的患者舒适度和卫生性能，并在循环载荷下表现出可靠的力学性能。然而，3D打印矫形器的临床成功高度依赖于材料选择及其在真实使用条件下的性能表现。聚乳酸（PLA）凭借良好的力学性能和生物相容性得到广泛应用，但其固有脆性限制了韧性；热塑性弹性体（TPE）和热塑性聚氨酯（TPU）则提供耐湿性、柔韧性和冲击吸收，促使研究者开发PLA/TPE混合层压结构以兼顾刚性与柔性。但此类混合系统中实现可靠粘接是关键技术挑战。目前已有技术如包覆成型、化学表面处理和粘接剂粘接各有局限：双组分环氧虽具备高剪切强度和长期耐久性，但需要复杂的表面准备、较长固化时间且对剥离载荷敏感；传统PLA-TPU热成型矫形器在反复屈曲和环境应力下仍存在分层问题。此外，PLA在后处理过程中的热敏性问题、化学消毒剂对材料的损伤效应，以及现有研究普遍将热、湿热和化学等因素单独考察而忽略临床环境中矫形器面临的同时暴露，构成了亟待解决的研究空白。因此，本研究旨在系统评估PLA/TPE混合层压结构的力学、热学和环境性能，重点关注粘接方法、材料厚度、热成型工艺和环境暴露对其性能的影响，为3D打印矫形器的临床转化提供循证依据。
## 研究概述
本研究设计为三部分系列实验。第一部分评估PLA与TPE层间的粘接剂粘接策略，测试氰基丙烯酸酯（Cyanoacrylate）、四氢呋喃基（THF-based）粘接剂和双组分环氧树脂三种粘接体系；第二部分考察PLA厚度变化对PLA/TPE层压结构拉伸行为的影响，采用四种厚度配置；第三部分利用田口L9正交实验设计（Taguchi L9 orthogonal array）评估环境条件因素对层压结构力学性能的影响，四个因素分别为热成型方法、温度暴露、水暴露类型和消毒方法，每因素设置三个水平。材料选用PLA作为刚性结构层（拉伸强度48 MPa，弹性模量2467 MPa，玻璃化转变温度约55-60°C），TPE作为柔性舒适层（拉伸强度约5 MPa，弹性模量34 MPa，伸长率＞600%，肖氏硬度75A）。试样采用Prusa i3 MK3 FFF打印机按照ASTM D638 Type IV几何标准制造，PLA与TPE分别打印后粘接。拉伸测试在Shimadzu AGS-X Plus万能试验机（100 kN载荷传感器）上完成，轴向应变通过MTS 632.17C-20平均引伸计（标距25 mm）测量，断裂表面通过Leica实体显微镜分析。基于优选粘接剂材料，研究人员制作了定制化的手腕矫形器原型，结合机械测试和佩戴评估双重验证。
## 研究结果
### 粘接材料的选择
环氧树脂粘接剂在TPE表面表现出不良的粘接性能，产生干净的界面分离，分类为粘接失效（Adhesive failure）。其不足主要归因于TPE的非极性低表面能使极性环氧树脂难以充分润湿和相互作用。THF基粘接剂在PLA和TPE上均留下可见残留物，表明粘接层内部发生内聚失效（Cohesive failure），粘接强度弱且易剥离，不适用于PLA/TPE粘接。氰基丙烯酸酯在初始测试中保持粘接完好无边缘分离，其粘接强度超越TPE内部材料强度（基材失效），并且撕裂过程发生在TPE层内或PLA材料转移到TPE表面上，表明粘接性能优异。与需表面活化的方法不同，氰基丙烯酸酯在无需预处理的情况下实现了PLA-TPE的坚固粘接；结合表面灭菌的经济性和水耐性，将其确定为最适宜的粘接方案。经过条件处理后粘接完整性持续存在，所有断裂发生在PLA基材内部；实体显微镜观察到粘接剂桥接纤维（Adhesive ligament）的形成，相较若干粘接脱离的样本更进一步确认了界面的高粘附力和载荷的均匀传导。
### 不同厚度PLA/TPE层压板的拉伸行为
所有层压板试样拉伸断裂模式一致：断裂均发生于PLA层内，无关其厚度配置。ANOVA分析（显著性阈值=0.02）确认PLA厚度对拉伸强度和刚度均有统计学显著效应（F值超过临界值，p值低于阈值）。然而，归一化应力值（51-57 MPa）和弹性模量值（3270-3328 MPa）在不同PLA厚度间无统计学显著差异（分别p=0.93和p=0.03），确认PLA横截面独立于配置而主导载荷转移。这一行为与平行层压材料的混合定律一致：因PLA与TPE模量差异悬殊，TPE对拉伸响应的贡献可忽略，刚度由较硬的PLA相主导。PLA和TPE之间的应变不兼容性导致PLA层在TPE参与变形之前即发生早期破坏。
### PLA在热条件下的力学性能
PLA试样在受控温度条件下测试，拉伸强度和弹性模量均随温度升高产生渐进式下降，在40°C至50°C区间内衰减最为显著（接近玻璃化转变温度55-60°C）。在50°C时，最大应力和弹性模量相对于环境条件分别降低了55%和29%，证实基于PLA的矫形器不应在长时间佩戴中表面温度可能达到或超过40°C的环境中使用。与半导体界面相关的广泛温度相关力学性能研究结论一致：PLA基矫形器最适用于室内康复或温度低于玻璃化转变阈值的较冷气候。增加PLA厚度可提高承载能力并延迟热软化效应。
### 热成型和环境因素对混合层压结构力学性能的影响
经九种不同环境组合处理后，极限拉伸强度在组间无统计学显著差异（p=0.40，F=1.08<2.69），表明热成型、温度暴露、水浸泡和消毒处理未影响材料极限抗拉强度，确认了PLA/TPE层压结构在保持承载能力方面的稳定性。相反，弹性模量分析显示各组之间存在高度显著性差异（p<0.001，F=28.63>2.70），表明热成型试件对环境退化更为敏感，后处理对长期耐久性具有影响。田口分析的信噪比、均值和标准差三个指标均一致识别热成型方法为刚度大小和一致性的支配因素（Δ分别为3.91、543和119.75），温度暴露整体影响最小。氯化水暴露（水平2）具有最低的均值、信噪比和最高标准差，是刚度损失最不利的水平；乙醇消毒导致低均值和信噪比，对刚度一致性不利。快速比较测试中，热空气热成型样品获得了更高的最大载荷（448 N）、强度（22 MPa）和模量（1402 MPa相较热水的1144 MPa），但ANOVA分析表明，排除未加工样本后，四种热成型组间（D、F、G、I）的刚度差异无统计学意义（p=0.53），两者在实际使用中性能相近。对热成型组合的实体镜检发现，采用热水热成型并经4°C条件处理的三件热成型组样品出现层间剥离和内部空隙形成，表明突然环境变化在加工后处理中可能引起界面不稳定——热收缩差异导致PLA与TPE间产生分离。
### 打印质量评估
体式显微镜确认在部分PLA区域存在内孔洞和空隙，可能来自打印过程中的挤出不足或材料流动不一致。定性评估显示73%样品打印质量达到优秀至良好，19%为中等，8%为一般，无样品被评定为差。不同打印质量对应的拉伸强度或弹性模量无明确关系，表明测试范围内微小打印表面差异不影响构件的整体力学性能。
### 原型评估结果
按照热空气热成型方式组装的手腕矫形器原型在多次弯曲、再贴附调整及重复模拟佩戴后，舒适性、贴合性和粘接完整性维持良好，未观察到分层或材料分离。分层以下设计细节直接提升了用户佩戴体验：TPE层形成了光滑的凸起边缘，作为热缓冲层维持安全表面温度；双层网格状结构保证了透气和轻量化。初步的再热成型能力评估显示，原型可进行三次贴合调整以适应手部位置的改变，但过度施压会造成PLA网格的部分不可逆变容变形，提示热成型过程中需精确控制施加压力。
## 总结与结论
本研究系统验证了PLA/TPE混合层压结构作为穿戴式矫形器的可行性，建立了粘接剂选择、结构设计和热成型加工的关键影响机制。研究表明氰基丙烯酸酯粘接剂在PLA-TPE粘接中表现最优，在环境暴露后仍能保持粘接完整性并稳定发生基材失效；PLA厚度可作为层压强度的主控参数用于简化结构设计计算，而TPE承担舒适和人机工程功能；热空气热成型相比热水方法提供更一致的刚度响应；氯化水和乙醇暴露对刚度一致性影响最不利。温度试验显示PLA基矫形器的使用温度范围必须限制在玻璃化转变以下。原型验证确认了整体系统的可行性和初步的再热成型性，支持后期在多轮适配场景中的临床应用适应性。但研究存在若干局限：粘接测试以定性为主，远期重复热成型对界面完整性的量化评估、长周期疲劳和环境暴露及更大样本人群的使用者试验均需在后续工作中系统开展。
研究主要结论如下：氰基丙烯酸酯粘接剂在测试条件下表现出稳定的粘接行为，在所有测试中均产生基材失效而非界面分离，并在热成型和环境暴露后保持粘接。PLA厚度是层压强度与刚度的核心决定因素，TPE贡献主要是舒适性和适形性而非结构承载能力。热测试显示，从环境温度到50°C区间，PLA拉伸强度下降55%、弹性模量下降29%，确认PLA基矫形器的使用环境表面温度不应接近玻璃化转变范围。在所有九个田口组中，极限拉伸强度不受环境调节影响，而弹性模量表现出显著敏感性，其中热成型被识别为主导因素；氯化水和乙醇在环境暴露水平中对刚度和一致性造成最大降低。该材料系统展现了可再热成型性潜力，层压结构可在受控条件下重新加热和塑形而不会立即丧失结构完整性，但长期反复循环的效应尚待评估。这一特性使得矫形器可进行佩戴后的适配调整、解剖复位和不同矫正阶段的有限重复使用，在涉及肿胀变化、生长发育或逐步康复进程的临床情景中尤为有利。
