人類(lèi)骨骼材料中的“梁”如何處理終生磨損的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)轉(zhuǎn)化為3D打印輕質(zhì)材料的開(kāi)發(fā)，這種材料的使用壽命足夠長(zhǎng)，可以在建筑物、飛機(jī)和其他結(jié)構(gòu)中更實(shí)際地使用。

微結(jié)構(gòu)材料可以通過(guò)底層幾何結(jié)構(gòu)而不是材料成分實(shí)現(xiàn)單位質(zhì)量的高剛度和強(qiáng)度。增材制造和晶格設(shè)計(jì)軟件的最新發(fā)展允許快速優(yōu)化晶格密度和架構(gòu)，以滿足低密度微架構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和/或能量吸收需求。微米和納米制造的進(jìn)步允許從具有高剛度和強(qiáng)度的各種不同基板設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)材料。在晶格微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中并不經(jīng)?？紤]抗疲勞失效。然而，微結(jié)構(gòu)材料容易出現(xiàn)疲勞失效，因?yàn)樗鼈儚?fù)雜的幾何形狀會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，比施加在大塊材料上的應(yīng)力大一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而促進(jìn)疲勞損傷的發(fā)生和傳播。平衡疲勞壽命的需求與剛度、強(qiáng)度和其他所需的材料特性是在耐用設(shè)備中使用微結(jié)構(gòu)材料的主要挑戰(zhàn)。

天然存在的材料可以顯示出卓越的機(jī)械性能，并且是微結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)的有用模型。骨是一種相對(duì)于密度具有高剛度和強(qiáng)度的生物材料。整個(gè)骨骼由稱(chēng)為皮質(zhì)骨的致密組織制成的外殼組成，該外殼圍繞著稱(chēng)為松質(zhì)骨的泡沫狀組織。松質(zhì)骨由相互連接的板狀和桿狀支柱網(wǎng)絡(luò)組成，稱(chēng)為小梁（厚度約50至300μm）。骨骼從稱(chēng)為小梁的海綿狀結(jié)構(gòu)中獲得耐用性，該結(jié)構(gòu)是由相互連接的垂直板狀支柱和充當(dāng)柱子和梁的水平桿狀支柱組成的網(wǎng)絡(luò)。小梁越密，骨骼在日?；顒?dòng)中的彈性就越大。但是疾病和年齡會(huì)影響這個(gè)密度。

▲圖1. 這張人類(lèi)股骨的圖像顯示了相互連接的白線，即構(gòu)成海綿狀小梁骨的支柱。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，較厚的水平支柱可以增加骨骼的疲勞壽命。圖片來(lái)源：康奈爾大學(xué)Christopher Hernandez

松質(zhì)骨中的小梁優(yōu)先與習(xí)慣性體育活動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力方向?qū)R，從而形成橫向各向同性的微觀結(jié)構(gòu)。盡管微結(jié)構(gòu)被廣泛認(rèn)為是松質(zhì)骨機(jī)械性能的一個(gè)貢獻(xiàn)者，但迄今為止，只有密度/孔隙率和織物張量（各向異性的度量）被證明是松質(zhì)骨剛度和強(qiáng)度的主要貢獻(xiàn)者；微體系結(jié)構(gòu)的所有其他方面的貢獻(xiàn)都可以忽略不計(jì)。微結(jié)構(gòu)對(duì)松質(zhì)骨疲勞特性的影響還沒(méi)有得到很好的研究。

來(lái)自康奈爾大學(xué)、普渡大學(xué)和凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管垂直支柱有助于骨骼的剛度和強(qiáng)度，但實(shí)際上是看似微不足道的水平微結(jié)構(gòu)支柱增加了骨骼的疲勞壽命。他們的研究成果發(fā)表在Proceedings of the National Academy of Sciences上。

▲圖2. 微結(jié)構(gòu)影響松質(zhì)骨中疲勞損傷的積累。(A) 松質(zhì)骨蠕變疲勞曲線顯示了疲勞載荷的三個(gè)階段。松質(zhì)骨的循環(huán)壓縮載荷在蠕變疲勞曲線的不同點(diǎn)（數(shù)據(jù)點(diǎn)）停止，以確定損傷累積的模式。（插圖）顯示了循環(huán)加載波形。松質(zhì)骨的 3D 圖像，(B) 綠色表示損壞，(C) 板狀和桿狀支柱，以及 (D) 支柱相對(duì)于解剖位置（縱向、傾斜和橫向）的方向。(E) 松質(zhì)骨的損傷量（損傷體積分?jǐn)?shù)，DV/BV）與最大施加應(yīng)變相關(guān)，但具有較厚桿狀小梁的標(biāo)本經(jīng)歷較少的損傷累積（R2 = 0.76，P < 0.01）。誤差線表示從線性混合效應(yīng)模型確定的 SD。(F) 在疲勞壽命早期，支柱失效主要發(fā)生在橫向定向的棒狀支柱中；最終機(jī)械故障的特點(diǎn)是縱向定向板狀支柱的廣泛故障。

組織異質(zhì)性也是松質(zhì)骨中損傷積累的主要因素，因此，這是在人類(lèi)骨組織中的發(fā)現(xiàn)的潛在解釋。為了將微結(jié)構(gòu)的影響與與材料異質(zhì)性相關(guān)的影響隔離開(kāi)來(lái)，研究人員使用高分辨率投影立體光刻打印機(jī)生成了松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)的3D模型（圖3A 和 B）。

▲圖3. 使用增材制造生成的松質(zhì)骨模型表明，疲勞壽命對(duì)微結(jié)構(gòu)的微小變化很敏感。(A) 人類(lèi)椎骨松質(zhì)骨的數(shù)字圖像被編輯并打印成 (B) 高分辨率 3D 模型。

為了確定研究人員的發(fā)現(xiàn)是否可推廣到其他細(xì)胞實(shí)體和其他變形機(jī)制（彎曲與拉伸），他們創(chuàng)建了八位組桁架的打印模型以及修改為具有板狀和桿狀元素的八位組桁架模擬松質(zhì)骨的微觀結(jié)構(gòu)和各向異性（圖4A）。松質(zhì)骨微觀結(jié)構(gòu)顯示彎曲主導(dǎo)行為，八位字節(jié)桁架顯示拉伸主導(dǎo)變形行為，類(lèi)骨微結(jié)構(gòu)顯示拉伸和彎曲變形行為的組合。在類(lèi)骨微結(jié)構(gòu)中，橫向支柱厚度的增加導(dǎo)致疲勞壽命增加了8倍（圖4B），密度（+4%）或縱向剛度（+20%）只有很小的變化）。在八角形桁架中，橫向支柱厚度的增加導(dǎo)致疲勞壽命增加了5倍（圖4B），而密度（+10%）或縱向剛度（+14%）只有很小的變化（圖4B）。

▲圖4. 橫向體積影響重復(fù)多孔固體的疲勞壽命。(A) 顯示了受骨骼啟發(fā)的微結(jié)構(gòu)和八位組桁架的圖像。（比例尺：5 毫米。）（B）顯示了按設(shè)計(jì)打印或帶有加厚（彩色）棒狀支柱的微結(jié)構(gòu)材料的疲勞壽命。加厚橫向支柱會(huì)增加疲勞壽命，而加厚垂直方向的支柱會(huì)降低疲勞壽命（還顯示了比剛度，E0/ρ）。

改性松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)的增材制造

在機(jī)械加載之前收集的松質(zhì)骨樣本的微計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像通過(guò)向表面添加材料進(jìn)行數(shù)字化修改。高分辨率立體光刻系統(tǒng)（M1；碳）用于從氨基甲酸酯甲基丙烯酸酯聚合物樹(shù)脂（UMA 90；碳；E = 2 GPa）以 1.5 倍各向同性放大倍數(shù)（12 -mm 直徑，~30-mm 長(zhǎng)度）。使用顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像確認(rèn)了打印幾何形狀的準(zhǔn)確性。通過(guò)增材制造生成的模型接受從 0 到標(biāo)準(zhǔn)化初始?jí)嚎s應(yīng)力 σ/E0 的循環(huán)疲勞載荷，對(duì)應(yīng)于 9,500、6,500 或 4,500 ε，直至失效（施加 4% 的應(yīng)變）。該實(shí)驗(yàn)總共使用了 45 個(gè)松質(zhì)骨微結(jié)構(gòu)模型（5 個(gè)不同的微結(jié)構(gòu) × 3 個(gè)不同的桿厚度 × 3 個(gè)不同的歸一化應(yīng)力大?。?。聚合物樣品中的損壞使用不透射線的染料滲透劑進(jìn)行鑒定。

▲圖5. 研究人員設(shè)計(jì)了一種具有與人體小梁相同數(shù)量的棒狀和板狀結(jié)構(gòu)的材料，并將它們以周期性模式排列，從而提供了一種增強(qiáng)輕質(zhì)3D打印結(jié)構(gòu)的新方法。圖片來(lái)源：普渡大學(xué)照片Pablo Zavattieri

本文來(lái)源：Ashley M. Torres et al, Bone-inspired microarchitectures achieve enhanced fatigue life, Proceedings of the National Academy of Sciences (2019).