骨损伤如何修复？多孔结构针对骨损伤修复的效果如何？
人体损伤与防护这一研究领域，主要是依据力学的基本原理，深入剖析在外部载荷施加的情况下，生物体的组织或器官所产生的力学反应及其机制。
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为：借装置压缩、弯曲或断裂等变形方式分散外部载荷，削减对人体各部位的直接冲击，进而发挥体外防护之效。
多孔结构凭借其独特的优势，不仅能够给予恰到好处的力学支撑，还能为细胞黏附与生长营造理想环境。
同时具备出色的能量吸收与防护功能，因此在骨损伤修复和人体防护领域发挥着至关重要的作用。
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，为满足骨损伤修复及人体防护在力学特性方面的需求，设计适配的多孔结构显得尤为重要。
此举能够最大化地利用多孔结构的独特功能，加速损伤部位骨组织的恢复，并增强人体在多种工况下的安全保障。
骨损伤修复与多孔结构
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，虽然具备坚固特性，但却十分脆弱，极易发生骨折或永久性骨损伤，一旦发生，患者遗留后遗症的风险也相当高，严重影响生活质量。
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。
多孔结构的引入既克服了传统方法对患者造成的伤害，也可以依据患者骨缺损部位的情况，实现有目的的重建。因此多孔结构在骨组织工程领域具有良好的应用前景。
人体防护与多孔结构
在面临诸如碰撞、摔倒等外部冲击时，力学因素往往扮演着至关重要的角色，成为引发人体损伤的主要诱因，对人体健康构成严重威胁。
为保护人体安全，减少上述冲击所致人体组织或器官损伤的发生概率，常采用防护装置吸收冲击能量。
人体防护的基本原理为：借装置的压缩、弯曲、断裂等，分散与耗散能量，延长冲击作用时间，减缓冲击速度，削弱冲击强度，进而发挥防护作用。
当下，应用于人体的防护装置按照体外佩戴方式来划分，可归为主动式与被动式两类。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。
借助头盔或护具里缓冲层，吸收冲击传递至人体的能量，从而削减人体受伤风险。
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，当前市场上多数防护装置却存在着明显的短板，它们不仅自身重量偏大，给使用者带来额外负担，而且在抗冲击能量吸收方面性能欠佳，难以提供有效的保护。
打印技术及晶胞设计参数对结构加工制造精度的影响
结构的制造精确度在很大程度上取决于所采用的打印技术。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。
借助移动喷嘴，将热熔剂精准喷射至粉末床内，随后利用红/紫外线射灯进行加热处理，使热熔剂与粉末共同熔化并烧结，最终实现物体的成型。
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。
在过渡区域，若支杆数量增加且表面积扩大，打印时热量传导将更为不均，导致粉末粘连现象加剧，最终使结构表面显得更为粗糙。
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。
虽然文章打印的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。
晶胞设计参数、压缩速度和角度对结构力学性能的影响
结构力学性能与晶胞拓扑结构、压缩速度和角度密切相关。结构力学性能随n值的增大而增大。这是因为n值变化影响晶胞结构上下网状Voronoi平面内支杆的排列方向和数量。
n值增大使得结构上下网状Voronoi平面内支杆数量增多，并形成近似于蜘蛛网形态的网状面。
这种网状面有助于均匀分散外部载荷， 减小局部区域的应力集中，增强结构的整体稳定性，进而提高结构的抗冲击能量吸收能力。
结构力学性能随θ1值的减小而增大，θ1值减小使得沿Z轴压缩方向的承载支杆由垂直转变为倾斜形态，支杆的载荷传递路径也由轴向（C-I型）转变为斜向（C-II型）。
结构力学性能也受压缩角度的影响，即随着压缩角度的增大，结构的力学性能均呈现下降趋势，其中初始峰值力的下降幅度最大。
这是因为压缩角度增大时，网状 Voronoi晶格结构与压头之间的接触面积减小，应力集中现象更加明显，导致该区域较早发生破坏失效，结构整体力学性能下降。
此外，由于偏心效应的影响，支杆承受斜向压缩载荷过程中会出现偏心屈曲和扭转变形，产生一侧倾倒位移。
压缩角度越大，结构一侧倾倒的失稳变形现象越明显，网状Voronoi晶格结构内参与变形的晶胞数量越少，结构的力学性能下降幅度越大。
以往研究发现，内凹蜂窝结构、增加肋板后的内凹蜂窝结构、正六边形蜂窝结构的力学性能均对压缩角度具有一定的敏感性，即随压缩角度的增大，结构的力学性能明显降低。
这也与此研究得出的结论相一致。文章针对C型（I和II）、N 型（I和II）和W型（I和II）网状Voronoi晶格结构，获得了不同压缩角度下6种结构的力学响应。
与其余5种结构相比，C - II型网状Voronoi晶格结构于不同压缩角度下，其抗冲击能量吸收性能皆较高，这表明C - II型结构抵御轴向和斜向冲击的能力颇为优异。
网状Voronoi晶格结构优势
研究建立网状Voronoi晶格结构的设计方法，此方法基于支杆载荷传递路径。
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。
与其他多孔结构相比，网状Voronoi晶格结构在能量吸收能力方面表现优异。
主要体现在以下三个方面：以晶胞设计参数（n、θ1、θ2、θ3和dv）构建的网状Voronoi晶格结构，可在设计参数取值范围内达成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。
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。
交通事故、日常跌倒以及体育运动等原因导致的人体骨损伤发生率呈逐年上升趋势，给患者和医疗系统带来了沉重的负担。
通过引入医疗手段可以实现骨损伤的体内修复，提高患者的生活质量；人体防护装置则具有体外防护的功能，有助于降低损伤的发生概率。
因此，从体内修复和体外防护两个方面，如何高效治疗人体骨损伤、提升人体防护能力、降低损伤的发生概率是当下的一个研究重点。
多孔结构能提供适宜的力学支撑、骨长入空间与缓冲吸能功能，于骨损伤修复和人体防护有着重要意义。
