用于仿生骨支架的新型分层双区晶格结构的设计与力学特性研究

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Design and Mechanical Characterization of Novel Hierarchical Dual-Zone Lattice Structures for Biomimetic Bone Scaffolds

　　

阿卜杜拉希姆·特米兹|艾哈迈德·塞尔达尔·古尔迪比|法提赫·胡泽耶费·厄兹图尔克|伊斯梅尔·艾库特·卡拉曼利

土耳其卡拉布克大学机械工程系，卡拉布克78050

摘要

本研究介绍了一种新型仿骨分层晶格结构的设计与力学性能评估。该结构为一个圆柱形试样（直径20毫米，高度20毫米），被划分为两个同心区域，以模拟天然骨骼的异质性：一个实心内核（直径10毫米）和一个外环区域（10-20毫米）。通过nTopology软件为每个区域设计了不同的圆柱形晶格结构。为引入分层复杂性，在内区的圆柱形晶格壁中嵌入了矩形晶格结构，而外环区域则保持传统的圆柱形晶格形态。根据田口实验设计方法，系统地改变了晶格类型（G、D、L和S型）以及弧线数量（2和4），从而能够有针对性地研究不同拓扑组合和几何参数的影响。

所有试样均通过增材制造工艺制备，并在单轴压缩条件下进行测试。其力学性能通过第一峰值应力、能量吸收量以及比能量吸收量来评估。在恒定位移间隔下，通过原位成像对变形行为和失效机制进行了定性分析。此外，还运用吉布森-阿什比模型分析了与密度相关的弹性特性，以建立结构与性能之间的关联。

研究结果表明，与均匀且非分层的结构相比，分层双区晶格结构显著提升了能量吸收能力，同时实现了更稳定、渐进式的破坏过程。通过结合区域间的拓扑变化与壁内的分层设计，可以有效地调控结构的力学响应和功能性能。这些发现表明，所提出的框架有望用于那些需要优化刚度、增大表面积并提升机械可靠性的先进仿骨支架应用中。

引言

受骨骼结构启发的多孔晶格架构，已成为解决承重植入物在刚度、强度与生物相容性之间长期存在的矛盾的一种有效策略（Shen等人，2026年）。传统的实心金属植入物的弹性模量通常远高于皮质骨和骨小梁的弹性模量，这会导致应力屏蔽、骨吸收，最终使植入物松动（Murr，2017年）。相比之下，通过增材制造技术制成的多孔材料能够设计出弹性模量处于生理范围内的结构，同时具备有利于血管生成和骨整合的多孔结构（Günther等人，2022年；Poltue等人，2021年）。

在这些架构中，基于三周期极小曲面几何结构的晶格结构因其表面平滑连续、不存在尖锐应力集中点以及较高的表面积与体积比而备受关注（?ztürk等人，2026a、2026b年；Torres-Sanchez等人，2022年）。这些特性使得可以通过壁厚、单元尺寸以及相对密度等几何参数精确调控结构的力学性能和传输性能（Günther等人，2022年；Lan等人，2023年；Poltue等人，2021年；Qiu等人，2024年）。因此，基于三周期极小曲面结构的支架已被广泛用于模仿天然骨骼的力学和形态特征。

尽管取得了这些进展，但仍存在一个关键挑战：天然骨骼在多个长度尺度上都具有明显的分层结构和空间异质性。松质骨由复杂的骨小梁网络构成，其密度、排列方向和连接方式在不同位置存在差异，而长骨则由致密的皮质壳和多孔的内核组成（Kameo等人，2020年）。要实现仿生级的力学性能和功能整合，就必须复制这种多尺度且具有区域差异的结构。为应对这一复杂性，近期研究提出了三种主要的设计策略。首先，分层晶格设计是在初级晶格单元内部引入更小尺度的结构。在分层三周期极小曲面结构中，二级三周期极小曲面图案被嵌入到初级单元的壁内，与单一尺度结构相比，这类结构在表面积、抗屈曲能力和能量吸收方面都有显著提升（Pehlivan等人，2025年；Temiz等人，2025年；Zhang等人，2021年）。在基于杆件的晶格结构中，通过优化层级间的载荷分布和相互作用，也实现了比刚度和抗冲击性能的提升（Tan等人，2021年；Wang等人，2022年）。

其次，为了模拟骨骼的空间异质性，人们提出了多区域和混合晶格设计。核心-壳层结构以及径向渐变的三周期极小曲面结构，通过结合不同的拓扑形式或固体与多孔区域，能够同时优化结构的压缩强度、渗透性以及生物相容性。例如，包含回转体形状和菱形形状或固体-多孔组合的混合支架，能够显著影响结构的变形行为、应力分布以及应变硬化特性（Koushik等人，2025年；Novak等人，2021年；Ruan等人，2026年）。功能梯度晶格则通过调整局部密度分布，实现了逐层破坏机制，并提升了能量吸收能力（Bai等人，2020年；Temiz等人，2025年）。

虽然这些策略各自都展现出了显著的优势，但将分层结构与径向异质性圆柱形几何结构相结合并进行系统研究的案例仍然较少。尤其是壁内分层结构、区域间拓扑变化以及几何复杂性对结构力学性能和失效行为的综合影响，至今尚未得到全面研究。在此背景下，本研究提出了一种新型的仿生圆柱形支架设计，该设计采用由实心内圆筒和外环晶格区域组成的双区结构。通过在内区的圆柱形晶格壁中嵌入二级晶格结构来实现分层设计，而外区则保持传统的晶格形态。研究采用了田口L16正交数组，系统地组合了四种三周期极小曲面类型——回转体型、菱形型、利丁型以及分裂P型——以及两种弧线配置——2和4，以此高效探索设计空间。所设计的结构从表面积与体积比、相对密度以及压缩力学性能（包括第一峰值应力、能量吸收量和比能量吸收量）等方面进行了评估。此外，还通过原位观察分析了结构的变形机制，并将其与应力-应变关系联系起来；同时运用吉布森-阿什比模型建立了密度与性能之间的关系。这项工作的创新之处在于，它将分层晶格嵌入、径向多区域拓扑变化以及基于田口的参数优化方法有机结合在圆柱形支架设计中，为先进仿骨应用中的结构与性能关系研究提供了新的思路。

章节节选

仿生设计与拓扑建模

这些仿生支架的设计旨在模拟天然骨骼的异质结构，重点考虑了致密皮质壳与多孔骨小梁核心之间的结构差异（Huang等人，2025年；Polo-Corrales等人，2014年）。研究建立了一个圆柱形设计空间（直径20毫米×高度20毫米），并将其划分为内核区域（直径10毫米）和外环区域（直径10毫米 < 直径 < 20毫米）。建模工作是在nTop软件（nTop Inc.，纽约州纽约市）中通过隐式建模方法完成的

结果与讨论

吉布森-阿什比幂律阐述了相对密度如何影响多孔固体中的第一峰值应力、压缩强度以及能量吸收等参数。同时，参数n的值可以反映结构可能的变形机制（Gibson, L. J.和Ashby，1997年；Lal Lazar等人，2023年）。它还体现了构建轻质且耐用的晶格结构的能力（Maskery等人，2017年）。根据吉布森-阿什比定律计算得到的试样相对模量

结论

在本研究中，设计了由内区、分层区和外区三个不同区域构成的三周期极小曲面结构，并对其力学性能进行了测试。在设计中采用了四种不同的三周期极小曲面类型——回转体型、菱形型、利丁型以及分裂P型——并通过田口L16实验设计方法分析了这些不同配置的力学性能。根据测试结果，所得数据与吉布森-阿什比幂律相符。基于压缩试验结果

CRediT作者贡献说明

伊斯梅尔·艾库特·卡拉曼利：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、研究实施、概念构思。法提赫·胡泽耶费·厄兹图尔克：撰写——审阅与编辑、可视化、研究实施、数据整理、概念构思。艾哈迈德·塞尔达尔·古尔迪比：撰写——审阅与编辑、验证、资源准备、研究实施、数据整理。阿卜杜拉希姆·特米兹：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、研究实施、概念构思

未引用参考文献

美国材料与试验协会，2016年。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。