摘要：因此针对骨损伤修复与人体防护对力学特性的需求设计对应的多孔结构，可以充分发挥多孔结构的功能特性，促进损伤部位的骨组织修复，提高多工况环境下人体的安全性。

人体损伤与防护是基于力学原理来探究外部载荷作用下生物组织或器官的力学响应。

当外部载荷超出骨组织承受的极限时会引起骨结构损伤或生理功能变化，此时需要引入医疗手段进行干预治疗，实现骨损伤的体内修复。

人体防护的基本原理是通过装置的压缩、 弯曲或断裂等变形方式分散外部载荷，减小对人体各部位的直接冲击，从而起到体外防护的作用。

多孔结构能够提供适当的力学支撑、适宜细胞黏附生长的空间以及吸能防护功能，在骨损伤修复和人体防护方面发挥着重要作用。

目前多孔结构种类繁多，具有各自独特的拓扑形态和性能特点。

因此针对骨损伤修复与人体防护对力学特性的需求设计对应的多孔结构，可以充分发挥多孔结构的功能特性，促进损伤部位的骨组织修复，提高多工况环境下人体的安全性。

交通事故、体育运动乃至日常生活中人体组织或器官损伤频繁。骨骼作为一种高强度的矿化结缔组织，容易发生骨折或永久性骨损伤，且留下后遗症的概率较高。

据相关统计数据显示，在过去二十年中，全球范围内骨损伤病例已增加至33.4%。

在中国，每年因骨损伤住院的人数在总住院病例中排名第二，且年增长率超过7%，其中难治性、永久性骨损伤患者已超过500万例。

可见，骨损伤已成为全球性公共健康问题，对骨损伤的研究也越来越受到人们的重视。骨缺损是临床上常见的难治性骨损伤之一。

由创伤、骨关节炎、肿瘤或其他骨疾病导致的骨缺损超过骨组织的临界愈合尺寸（缺失长度超过骨干直径1.5倍）时，骨组织将无法通过骨再生重塑自身完整性，属于永久性骨损伤，此时需要手术进行干预治疗。

采用自体骨移植和同种异体骨移植是治疗骨缺损的传统手段。然而，自体骨移植的供骨区有限，且会对供骨区造成损伤；同种异体骨移植易发生排斥反应增加额外感染几率。

因此，为了克服传统骨缺损治疗手段的局限性，骨组织工程得到广泛的研究和发展。

在碰撞和摔倒等外部冲击过程中，力学因素是导致人体损伤的主要原因。为了保护人体安全，降低由于上述冲击造成的人体组织或器官损伤的发生概率，通常采用防护装置吸收冲击能量。

人体防护的基本原理是通过装置的压缩、弯曲和断裂等方式分散和耗散能量，增加冲击的作用时间、减缓冲击速度、减弱冲击强度，从而起到防护作用。

目前应用于人体的防护装置依据体外佩戴方式，可以分为主动式和被动式。主动防护装置是指通过个体自身的行为，如佩戴头盔、穿戴护具等来降低人体的冲击损伤。

通过头盔或护具中的缓冲层吸收冲击时传递到人体的能量，降低人体受伤的风险。

被动防护装置则无需人为干预，依靠装置的固有结构和材料特性提供防护，如汽车的吸能盒、防撞梁和引擎盖等。

在发生冲击时，汽车的吸能盒、防撞梁和引擎盖通过自身压缩变形吸收和耗散部分冲击能量，减缓冲击速度，从而降低乘员和行人受到的冲击力。

主动和被动防护装置共同构成了人体安全保护的重要体系。然而目前的防护装置普遍存在重量重、抗冲击能量吸收性能低的问题。

结构的加工制造精度与打印技术密切相关。MJF技术主要致力于利用热塑性材料加工具有复杂几何形态的三维结构。

通过移动喷嘴将热熔剂喷射到粉末床中，经过红/紫外线射灯加热后，热熔剂和粉末被熔化烧结，从而进行成型。

然而红/紫外线射灯瞬时加热效果较激光差，支杆连接的过渡区域热量不足，导致未完全熔化的粉末颗粒黏附于结构表面。

过渡区域的支杆数量越多、表面积越大，打印过程中的热量传导越不均匀，粉末粘连越严重，结构表面越粗糙。此外，MJF打印的结构，其底部和顶部均可能出现不同程度的边缘翘曲。

这是因为在打印过程中，高温加热层与结构底层间存在温度梯度。冷却时，结构的高温区域较低温区域收缩程度更大，这种不均匀的收缩会产生内部应力，导致结构边缘出现翘曲现象。

虽然打印的6种结构尚未观察到明显的翘曲变形，但这也可能是造成结构外部打印尺寸与设计尺寸存在误差的潜在因素。

结构的设计参数对加工制造精度也会产生影响。在研究中，采用5个独立的晶胞设计参数（n、θ1、θ2、θ3和dv）建立了网状Voronoi晶胞结构。

其中n、θ1、θ2和θ3控制结构的拓扑形态。随着n值的增大，结构上下网状Voronoi平面内支杆数量越多，支杆之间的连接路径越复杂，导致热量传导越不均匀，未熔化的粉末颗粒越多。

连接上下网状Voronoi平面的支撑支杆，其倾斜程度和内凹弯曲程度随着θ1和θ2值的减小而增大，网状Voronoi平面内部支杆的外凸弯曲程度随θ3值的减小而增大。

支杆的成型角度会改变热量的传导路径，成型角度小的区域，热量容易聚集，温度升高快，未熔化的粉末颗粒少。

而在成型角度大的区域，热量更易散失，导致部分区域的温度无法达到粉末的熔化温度，最终残留的未熔化的粉末颗粒黏附于结构表面，使得结构表面粗糙度升高。

通过n、θ1、θ2和θ3可以控制支杆数量和成型角度，进而影响结构的加工制造精度。支杆直径和表面积随dv值的增大而增大，未熔化的粉末黏附于结构表面越多，结构的制造精度越低。

综上，结构形态会在一定程度上影响结构的加工制造精度。研究中采用MJF技术制备的C型（I和II）、N型（I和II）和W型（I和II）网状Voronoi 晶格结构的支杆表面均存在少量黏附的粉末颗粒。

相较于其他5种结构，C-II型结构的支杆成型角度较大，结构表面较粗糙，对应的质量误差最大。

研究基于支杆载荷传递路径的设计方法建立网状Voronoi晶格结构。这种设计方法具有载荷传递路径可定向调整的能力，能够在特定部位高效集中的耗散和吸收能量，提高结构的整体稳定性。

相较于其他多孔结构，网状Voronoi晶格结构具有优异的能量吸收能力，主要体现在以下3个方面：采用晶胞设计参数（n、θ1、θ2、θ3和dv）构建的网状Voronoi 晶格结构能够在设计参数取值范围内，实现可控的支杆载荷传递路径。

合理的传递路径使得载荷能够较为均匀地传递到整个结构，减少局部区域的应力集中现象，提高多工况条件下结构的抗冲击能量吸收性能。

其次，网状Voronoi晶格结构具有规则有序的晶胞排列形式，以及扭转、弯曲折叠等多种变形模式，在多工况条件下可以有效减少结构失稳现象， 提高结构的变形稳定性。

此外，网状Voronoi晶格结构不同位置的支杆弯曲倾斜角度不同，对应的压缩应变不同，这种不均匀的应变分布导致了结构内部的相对滑移和扭曲，提高了整体结构的能量吸收能力。

因此与折纸结构、正弦内凹负泊松比以及手性结构 等相比，在多工况条件下，网状Voronoi晶格结构在具有较低的初始峰值力的同时又具有较高的比吸能，更适宜作为衬垫填充入自行车头盔中。

与目前主流的多孔结构填充的头盔衬垫相比，通过多目标优化获得的最优网状Voronoi晶格结构兼具轻量化以及综合抗冲击能量吸收性能高的特点。

明显降低了头部的峰值加速度，减轻头部损伤，表明通过多目标优化设计得到的最优网状Voronoi晶格结构在多种工况下均能展现出出色的防护性能。

基于支杆载荷传递路径设计了一类由5个独立设计参数（n、θ1、θ2、θ3和dv）构建的网状Voronoi晶格结构。

通过试验与仿真相结合的方式，对不同压缩角度下网状Voronoi 晶格结构的力学性能和变形模式进行研究；通过RSM法建立了网状Voronoi晶胞结构设计参数与结构力学响应参数之间的关系。

结果表明，相较于n，参数θ1、θ2、θ3和dv对网状 Voronoi晶格结构力学性能影响更明显；网状Voronoi晶格结构力学性能随压缩速度的增大而增大，随压缩角度的增大而减小。

网状Voronoi晶格结构主要以拉伸变形和弯曲变形为主，θ2是主导结构变形模式发生转变的主要因素。

低速时，结构轴向压缩以逐层弯曲折叠的扭转“ ”型变形为主，斜向压缩以一侧倾斜的“L”型弯曲变形为主。

高速时，轴向和斜向压缩结构分别呈现由冲击端向支撑端传播的“工”型和“ ”型逐层变形的“冲击波”模式。

与典型多孔结构填充的自行车头盔衬垫相比，基于多目标优化获得的最优网状 Voronoi晶格结构填充的自行车头盔衬垫兼具轻量化和综合抗冲击能量吸收性能高的特点。

文章基于支杆载荷传递路径设计的网状Voronoi晶格结构，为多工况条件下抗冲击防护结构提供了可行的设计理念和理论依据。

来源：Mr王医学科普