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增材制造生物医学器械的疲劳测试：为什么多轴载荷至关重要

增材制造 (AM) 正越来越多地应用于生物医学器械，特别是在患者特定几何形状、复杂内部结构和快速迭代具有明显临床优势的领域。骨科植入物、脊柱装置、固定硬件和相关的外科工具现在通常使用金属和聚合物增材工艺生产。由于这些组件旨在用于长期承载应用，疲劳性能成为确保安全性、耐用性和监管批准的关键因素。

生物医学器械在服役过程中很少经历简单的单轴载荷。它们暴露在由人体运动驱动的复杂多轴载荷历史中。对于已经对缺陷、各向异性和表面状况敏感的增材制造零件，这种载荷复杂性提出了独特的挑战，必须通过精心设计的疲劳测试方案来解决。

疲劳失效是生物医学器械公认的风险。髋关节柄、接骨板、脊柱连杆和牙科植入物等组件必须在数年或数十年的服役期内承受数百万次的载荷循环，以避免复杂的拆除手术。即使应力保持在材料的静态强度以下，重复载荷也会导致裂纹萌生、扩展，并最终导致灾难性失效。

对于增材制造的生物医学组件，不能假设其疲劳行为与传统制造的同类产品相匹配。增材制造工艺会引入微观结构特征，如孔隙率、未熔合缺陷、表面粗糙度和残余应力，所有这些都会显著降低疲劳寿命。此外，增材制造的逐层特性产生了定向机械性能，这些性能与生理载荷模式发生强烈的相互作用。

Additive manufacturing processes can introduce microstructural features that can significantly reduce fatigue life.

许多传统的疲劳方案依赖于单轴拉伸或压缩载荷。虽然这可以提供有用的基准数据，但它代表了生物医学植入物所经历的真实体内载荷环境的简化。

在服役中，生物医学组件经常受到轴向和扭转组合载荷的影响——例如，髋关节和膝关节植入物在行走过程中同时承受压缩载荷和扭矩，或者固定装置在骨-植入物界面处经历循环剪切和旋转。忽视这些组合载荷模式可能会低估损伤积累并歪曲真实的疲劳性能。

轴向-扭转组合测试提供了一个强大的框架，可以更好地代表生理载荷，同时也能更深入地了解增材制造材料的各向异性行为。

许多增材工艺，特别是聚合物长丝沉积和一些金属工艺，会产生层压微观结构。因此，机械性能取决于相对于沉积层的载荷方向。通过同时施加轴向和扭转载荷，工程师可以研究一系列取向上的表观拉伸和剪切行为。

这些效应对于载荷路径很少与单一主轴对齐的植入物尤为相关。如果没有多轴测试，这种行为在传统的单轴疲劳数据集中将保持隐藏状态。

Simultaneous axial and torsional testing is important when testing implants.

对于生物医学器械，试样级疲劳测试通常是不够的。局部几何形状、点阵结构、螺纹形式和表面处理可以主导疲劳行为。轴向-扭转组合疲劳测试系统提供了一个灵活的平台，可以从材料筛选演变为代表性的特征级或组件级测试，帮助工程师更好地了解增材制造植入物在现实服役条件下的表现。

英斯特朗^®在支持生物医学应用的疲劳和耐用性测试方面拥有丰富的经验，包括增材制造材料和组件。轴向-扭转组合疲劳系统（如 ElectroPuls^®）是成熟的现成解决方案，能够提供精确、可重复的多轴载荷。

ElectroPuls 系统使生物医学工程师能够：

Instron ElectroPuls systems can perform multiaxial fatigue and durability testing suitable for biomedical devices.

随着增材制造继续改变生物医学器械设计，疲劳测试必须不断发展，以反映增材制造的材料现实和生理载荷的复杂性。轴向-扭转组合疲劳测试提供了一个强大的工具，用于揭示各向异性、了解损伤机制并生成更好地反映服役性能的数据。

通过将代表性的多轴载荷与高质量、可重复的测试系统相结合，生物医学工程师可以自信地评估疲劳性能，降低鉴定风险，并将创新的、患者特定的增材制造器械安全地投入临床使用。

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Rebecca Reiff-Musgrove

Rebecca Reiff-Musgrove 是英斯特朗 ElectroPuls 的业务发展经理。她的背景包括剑桥大学的理学硕士学位，专注于增材制造零件的表面性能，并曾在增材制造行业的材料测试领域任职。在英斯特朗，她担任过一系列技术和商业职位，这使她对技术及其解决的客户挑战都有着扎实的理解。