3D打印參數對聚乳酸骨支架靜態和疲勞性能的影響

骨支架作為組織工程中的關鍵組件，承擔著引導和支持骨組織再生的重要角色。聚乳酸（PLA）因其良好的生物相容性、生物可降解性以及與骨組織相似的力學性能，成為制造骨支架的理想材料。然而，如何優化3D打印過程，高效制造滿足結構安全的PLA骨支架，一直是科研人員探索的重點。伊迪斯·科文大學的Majid Tolouei-Rad團隊探究了層高、擠出寬度、噴嘴溫度和打印速度等3D打印參數對PLA骨支架靜態和疲勞性能的影響。

文章所用PLA骨支架如圖1所示。為了節省實驗數量，通過田口實驗法，設計了如表1所示的9種試樣。對上述試樣進行壓縮實驗，其典型應力應變曲線如圖2所示，并將其結果進行了方差分析，從分析結果可知（圖3），擠出寬度對于支架壓縮性能有著顯著影響。擠出寬度的增加能夠增加支架直徑，從而提高材料性能。與非多孔3D打印結構不同的是，打印速度對支架的性能并無明顯影響。這是由于支架結構彼此之間相連部分較少，絲材之間界面的結合強度對支架整體性能影響較為微弱。

圖1 3D打印骨支架示意圖。

表1 不同3D打印參數設置。

圖2 單軸壓縮應力應變曲線。

圖3 打印參數與壓縮性能之間的相關性分析。

在不同的應變水平（0.4%，1.5%，2.5%，和3%）下進行壓縮疲勞實驗，以模擬日常活動中骨骼可能遭受的循環載荷。實驗結果表明（圖4），在低應變幅度（0.4%）下，所有樣品均未出現疲勞破壞或剛度降低。然而，隨著應變幅值的增加，不同組試樣陸續出現破壞。將其結果進行方差分析，從分析結果可知（圖5），噴嘴溫度對于支架耐壓縮疲勞性能有著顯著影響。降低打印時的噴嘴溫度能夠提高支架的疲勞性能。

圖4 在（a）0.4%，（b）1.5%，（c）2.5%，和（d）3%應變水平下

進行疲勞實驗時不同參數試樣的剛度變化。

圖5 打印參數與壓縮疲勞性能之間的相關性分析。

熱成像分析顯示（圖6），在疲勞測試過程中，支架的溫度有所升高，但最高溫度（約39℃）仍然低于材料的玻璃化轉變溫度（約62℃），溫度升高并未對支架的結構完整性造成顯著影響。

圖6 PLA支架剛度與溫度隨疲勞圈數的變化。

這項研究不僅為3D打印PLA骨支架的制造提供了科學的參數指導，更通過實驗驗證了所打印骨支架的安全性和有效性。在模擬日常活動的應變條件下（應變小于0.4%），所有測試的骨支架均未出現疲勞破壞，顯示出良好的臨床應用潛力。

后續可以對濕潤環境下和部分降解后PLA骨支架的力學性能進行測試，以驗證其長期服役下結構的可靠性。也可以對比不同孔隙形狀對PLA骨支架性能的影響，便于后續對孔隙形狀進行選擇、設計。除此之外，深入研究不同PLA骨支架如何影響骨組織附著情況、支架降解速率等，也是可行的方向之一。

相關研究論文“Impact of 3D printing parameters on static and fatigue properties of polylactic acid (PLA) bone scaffolds"已發表在《International Journal of Fatigue》