人類骨骼材料中的“梁”如何處理終生磨損的發現可能會轉化為3D打印輕質材料的開發，這種材料的使用壽命足夠長，可以在建筑物、飛機和其他結構中更實際地使用。
微結構材料可以通過底層幾何結構而不是材料成分實現單位質量的高剛度和強度。增材制造和晶格設計軟件的最新發展允許快速優化晶格密度和架構，以滿足低密度微架構的剛度、強度和/或能量吸收需求。微米和納米制造的進步允許從具有高剛度和強度的各種不同基板設計微結構材料。在晶格微結構設計中并不經常考慮抗疲勞失效。然而，微結構材料容易出現疲勞失效，因為它們復雜的幾何形狀會導致應力集中，比施加在大塊材料上的應力大一個數量級，從而促進疲勞損傷的發生和傳播。平衡疲勞壽命的需求與剛度、強度和其他所需的材料特性是在耐用設備中使用微結構材料的主要挑戰。
天然存在的材料可以顯示出卓越的機械性能，并且是微結構材料設計的有用模型。骨是一種相對于密度具有高剛度和強度的生物材料。整個骨骼由稱為皮質骨的致密組織制成的外殼組成，該外殼圍繞著稱為松質骨的泡沫狀組織。松質骨由相互連接的板狀和桿狀支柱網絡組成，稱為小梁（厚度約50至300μm）。骨骼從稱為小梁的海綿狀結構中獲得耐用性，該結構是由相互連接的垂直板狀支柱和充當柱子和梁的水平桿狀支柱組成的網絡。小梁越密，骨骼在日常活動中的彈性就越大。但是疾病和年齡會影響這個密度。
▲圖1. 這張人類股骨的圖像顯示了相互連接的白線，即構成海綿狀小梁骨的支柱。一項研究發現，較厚的水平支柱可以增加骨骼的疲勞壽命。圖片來源：康奈爾大學Christopher Hernandez
松質骨中的小梁優先與習慣性體育活動產生的應力方向對齊，從而形成橫向各向同性的微觀結構。盡管微結構被廣泛認為是松質骨機械性能的一個貢獻者，但迄今為止，只有密度/孔隙率和織物張量（各向異性的度量）被證明是松質骨剛度和強度的主要貢獻者；微體系結構的所有其他方面的貢獻都可以忽略不計。微結構對松質骨疲勞特性的影響還沒有得到很好的研究。
來自康奈爾大學、普渡大學和凱斯西儲大學的研究人員發現，盡管垂直支柱有助于骨骼的剛度和強度，但實際上是看似微不足道的水平微結構支柱增加了骨骼的疲勞壽命。他們的研究成果發表在Proceedings of the National Academy of Sciences上。
▲圖2. 微結構影響松質骨中疲勞損傷的積累。(A) 松質骨蠕變疲勞曲線顯示了疲勞載荷的三個階段。松質骨的循環壓縮載荷在蠕變疲勞曲線的不同點（數據點）停止，以確定損傷累積的模式。（插圖）顯示了循環加載波形。松質骨的 3D 圖像，(B) 綠色表示損壞，(C) 板狀和桿狀支柱，以及 (D) 支柱相對于解剖位置（縱向、傾斜和橫向）的方向。(E) 松質骨的損傷量（損傷體積分數，DV/BV）與最大施加應變相關，但具有較厚桿狀小梁的標本經歷較少的損傷累積（R2 = 0.76，P < 0.01）。誤差線表示從線性混合效應模型確定的 SD。(F) 在疲勞壽命早期，支柱失效主要發生在橫向定向的棒狀支柱中；最終機械故障的特點是縱向定向板狀支柱的廣泛故障。
組織異質性也是松質骨中損傷積累的主要因素，因此，這是在人類骨組織中的發現的潛在解釋。為了將微結構的影響與與材料異質性相關的影響隔離開來，研究人員使用高分辨率投影立體光刻打印機生成了松質骨微觀結構的3D模型（圖3A 和 B）。
▲圖3. 使用增材制造生成的松質骨模型表明，疲勞壽命對微結構的微小變化很敏感。(A) 人類椎骨松質骨的數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現是否可推廣到其他細胞實體和其他變形機制（彎曲與拉伸），他們創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骨的微觀結構和各向異性（圖4A）。松質骨微觀結構顯示彎曲主導行為，八位字節桁架顯示拉伸主導變形行為，類骨微結構顯示拉伸和彎曲變形行為的組合。在類骨微結構中，橫向支柱厚度的增加導致疲勞壽命增加了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. 橫向體積影響重復多孔固體的疲勞壽命。(A) 顯示了受骨骼啟發的微結構和八位組桁架的圖像。（比例尺：5 毫米。）（B）顯示了按設計打印或帶有加厚（彩色）棒狀支柱的微結構材料的疲勞壽命。加厚橫向支柱會增加疲勞壽命，而加厚垂直方向的支柱會降低疲勞壽命（還顯示了比剛度，E0/ρ）。
改性松質骨微結構的增材制造
在機械加載之前收集的松質骨樣本的微計算機斷層掃描圖像通過向表面添加材料進行數字化修改。高分辨率立體光刻系統（M1；碳）用于從氨基甲酸酯甲基丙烯酸酯聚合物樹脂（UMA 90；碳；E = 2 GPa）以 1.5 倍各向同性放大倍數（12 -mm 直徑，~30-mm 長度）。使用顯微計算機斷層掃描圖像確認了打印幾何形狀的準確性。通過增材制造生成的模型接受從 0 到標準化初始壓縮應力 σ/E0 的循環疲勞載荷，對應于 9,500、6,500 或 4,500 ε，直至失效（施加 4% 的應變）。該實驗總共使用了 45 個松質骨微結構模型（5 個不同的微結構 × 3 個不同的桿厚度 × 3 個不同的歸一化應力大小）。聚合物樣品中的損壞使用不透射線的染料滲透劑進行鑒定。
▲圖5. 研究人員設計了一種具有與人體小梁相同數量的棒狀和板狀結構的材料，并將它們以周期性模式排列，從而提供了一種增強輕質3D打印結構的新方法。圖片來源：普渡大學照片Pablo Zavattieri
本文來源：Ashley M. Torres et al, Bone-inspired microarchitectures achieve enhanced fatigue life, Proceedings of the National Academy of Sciences (2019).
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