研究人员受人体骨骼“梁”启发开发了抗疲劳的

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人体骨骼材料中的“梁”如何处理终身磨损的发现可能转化为3D打印轻量化材料的开发，其使用寿命足够长，在建筑、飞机等结构中更实用.

微结构材料可以通过底层的几何结构而不是材料成分来实现单位质量的高刚度和强度。增材制造和晶格设计软件的最新发展允许快速优化晶格密度和架构，以满足低密度微架构的刚度、强度和/或能量吸收要求。微米和纳米制造的进步允许从具有高刚度和强度的各种不同基材设计微结构材料。在晶格微结构的设计中通常不考虑抗疲劳失效。然而，微结构材料容易发生疲劳失效，因为其复杂的几何形状会引起应力集中，比施加在大块材料上的应力大一个数量级，从而促进疲劳损伤的发生和传播。平衡疲劳寿命要求与刚度、强度和其他所需的材料特性是在耐用设备中使用微结构材料的主要挑战。

天然存在的材料可以表现出优异的机械性能，是设计微结构材料的有用模型。骨是一种相对于密度具有高刚度和强度的生物材料。整个骨骼由称为皮质骨的致密组织制成的外壳组成，该外壳围绕称为松质骨的泡沫状组织。松质骨由相互连接的板状和杆状支柱网络组成，称为小梁（厚度约 50 至 300 微米）。骨骼从称为小梁的海绵状结构中获得耐用性，该结构是由相互连接的垂直板状支柱和水平杆状支柱组成的网络，充当支柱和横梁。小梁越密，骨骼在日常活动中就越有弹性。但是疾病和年龄会影响这个密度。

▲图1.这张人体股骨的图像显示了相互的连接的白线构成了海绵状小梁骨的支柱。一项研究发现，较粗的水平支柱可以增加骨骼的疲劳寿命。图片来源：康奈尔大学的Christopher Hernandez

松质骨中的小梁优先与习惯性体力活动产生的应力方向对齐，从而形成横向各向同性的微观结构。虽然微观结构被广泛认为是影响松质骨力学性能的因素，但迄今为止，只有密度/孔隙率和织物张量（各向异性的量度）被证明是松质骨刚度和强度的主要因素；微架构的所有其他方面的贡献都可以忽略不计。 微观结构对松质骨疲劳特性的影响尚未得到很好的研究。

康奈尔大学、普渡大学和凯斯西储大学的研究人员发现，虽然垂直支柱有助于骨骼的刚度和强度，但它们实际上看起来微不足道水平的微观结构支柱增加了疲劳寿命的骨头。他们的研究成果发表在美国国家科学院院刊上。

▲图2.微结构影响松质骨堆积中的疲劳损伤。 (A) 松质骨蠕变疲劳曲线显示了疲劳载荷的三个阶段。松质骨的循环压缩载荷在蠕变疲劳曲线的不同点（数据点）处停止，以确定损伤累积的模式。 （插图）显示了循环加载波形。松质骨的 3D 图像，(B) 绿色表示损伤，(C) 板状和杆状支柱，以及 (D) 支柱相对于解剖位置（纵向、斜向和横向）的方向。 (E) 松质骨的损伤量（损伤体积分数，DV/BV）与施加的最大应变有关，但具有较厚杆状小梁的标本经历较少的损伤累积（R2 = 0.76，P <0.01）。误差条代表从线性混合效应模型确定的 SD。 (F) 在早期疲劳寿命中，支柱失效主要发生在水平定向的棒状支柱；最终的机械故障的特点是纵向定向的板状支柱的广泛故障。

组织异质性也是松质骨损伤累积的主要因素，因此这是对人体骨组织中发现的潜在解释。为了将微观结构的影响与材料异质性相关的影响分离，研究人员使用高分辨率投影立体光刻 >机器生成了一个 3D松质骨的微观结构模型（图 3A 和 B）。

▲图 3. 增材制造生产的松质骨 模型显示疲劳寿命对微观结构的微小变化很敏感。 (A) 人类椎骨松质骨的数字图像被编辑并打印到 (B) 高分辨率 3D 模型中。

为了确定研究人员的发现是否可以推广到其他细胞实体和其他变形机制（弯曲和拉伸），他们创建了一个八位组桁架的打印模型并将其修改为具有板 圆形和杆状元素的八位组桁架模拟松质骨的微观结构和各向异性（图 4A）。松质骨微观结构表现出弯曲为主的行为，八角桁架表现出拉伸为主的变形行为，类骨微观结构表现出拉伸和弯曲变形行为的结合。在类骨微结构中，横向支柱厚度的增加导致疲劳寿命增加 8 倍（图 4B），并且密度（+4%）或纵向刚度（+20%）只有很小的变化）。在八角桁架中，横向支柱厚度的增加导致疲劳寿命增加五倍（图4B），而密度（+10%）或纵向刚度（+14%）只有很小的变化（图 4B）。

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