近日，昆明理工大学建筑工程学院工程力学系“生物力学及微纳米软材料力学研究团队”李帅教授在生物力学超材料与生物医学交叉领域取得重要研究进展。研究面向人椎间盘修复，提出了一种可实现“非膨胀效应”并与人体椎间盘刚度匹配的超材料设计策略，成果发表在固体力学领域顶级期刊《International Journal of Solids and Structures》上，昆明理工大学为第一单位。

研究提出了一种将六边形蜂窝与内凹六边形蜂窝协同组合的超材料设计。该设计利用常规六边形在压缩下膨胀的正泊松比效应，以及内凹六边形在拉伸下收缩的负泊松比效应，通过转换器使两种结构在拉伸和压缩下选择性承载且互不干扰，从而在两种荷载下均实现横向收缩，即“非膨胀”行为。研究建立了理论模型，开展了数值模拟，并采用光敏树脂（PSR）、尼龙和聚乳酸（PLA）进行3D打印和力学实验。结果表明，理论、模拟和实验在等效模量与泊松比趋势上吻合良好。压缩下超材料呈现负泊松比，拉伸下呈现正泊松比，但横向应变均为负，即均发生横向收缩。通过调节几何参数，覆盖天然人椎间盘的力学响应范围，有利于避免应力遮挡并促进植入物与邻近椎体的力学协同。

在生物相容性方面，研究采用Calcein-AM/PI双染和MTT实验协同，评估了PSR、尼龙和PLA对人髓核细胞（HNPCs）和人软骨细胞系（IM-H488）的影响。结果表明，三种材料均无细胞毒性，细胞存活率保持在98%以上，共培养7天仍以绿色活细胞荧光为主，显示出良好的生物相容性。

进一步，研究提出了个性化逆向设计策略。基于患者医学影像数据建立不规则几何形状的非膨胀超材料模型和CAD椎间盘模型，以临床案例（T8-L5，50岁，准静态压缩模量23.0 MPa）为例，通过理论模型迭代优化几何参数，使等效模量匹配23.0 MPa，并将压缩泊松比控制在-0.5~-0.2。最终通过3D打印制备出与终板几何匹配的个性化植入物。针对离散超材料可能存在的零刚度区间，研究还采用植入级硅胶填充间隙，形成集成非膨胀超材料，在保持非膨胀效应的同时提供稳定承载。

该研究为椎间盘修复提供了一种兼具非膨胀效应和刚度匹配的新型力学超材料设计方法，在血管/食管支架、骨/软骨替代及个性化植入物等领域具有广阔应用前景。

近年来，生物力学及微纳米软材料力学研究团队聚焦于力学与生物医学领域的交叉融合研究，在力学超材料、生物力学和软材料力学等方向持续产出高水平成果，受到国内外广泛关注。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2026.114361

（供稿：建筑工程学院）