骨支架多孔结构设计及其流场特性研究

骨支架多孔结构设计及其流场特性研究

徐新营

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摘要：骨支架多孔结构作为现代生物医学工程领域的重要研究内容，其设计与应用在促进骨骼再生与修复方面展现出了巨大的潜力。多孔结构的设计不仅关乎骨支架的生物相容性和力学性能，更直接影响到细胞在支架内的生长与分化。此外，骨支架的流场特性对其在体内的营养输送、代谢废物排除等生理过程也起着至关重要的作用。因此，深入研究骨支架多孔结构的设计及其流场特性，对于推动骨组织工程的发展、提高骨缺损修复效果具有重要意义。

关键词：骨支架；骨支架多孔结构设计；流场

随着人口老龄化加速以及汽车保有量的增加，因意外受伤或交通事故等受到暴力而导致的骨缺损不断增多，大段的骨缺损无法自我愈合。骨组织工程技术是治疗骨缺损的理想方法，作为新生骨组织的载体，组织工程骨支架既需要有合适的孔隙结构，其内部流场又需要有良好的流体流动性能以保证骨组织的培养，因此，骨支架多孔结构的设计和流场特性研究是骨组织工程的重要内容。

1骨支架多孔结构设计

1.1基于生物仿生学的多孔结构设计

生物仿生学，作为一门深入探索自然界生物结构、功能及其原理的学科，为骨支架多孔结构设计提供了无尽的启示与灵感。自然界中的骨骼，经过亿万年的进化，形成了一种精妙绝伦的多孔结构，不仅拥有出色的力学性能，更能有效促进细胞的黏附和生长。这种天然的多孔结构，无疑是设计师在设计骨支架时应当借鉴的蓝本。在生物仿生学的指导下，设计师深入研究了骨骼的微观结构，发现其多孔形态和尺寸分布均呈现出一种高度的有序性和规律性。这种有序性不仅使得骨骼在承受外力时能够均匀分布应力，提高整体的力学稳定性，同时也为细胞提供了充足的生长空间和良好的生长环境。基于这些发现，设计师设计出了一种具有相似多孔形态和尺寸分布的骨支架。这种骨支架的多孔结构，能够模拟自然骨骼的生理环境，为细胞的黏附和生长提供理想的条件。同时，通过精确控制多孔结构的形态和尺寸，设计师还能够实现对骨支架力学性能的调控，使其更好地适应不同部位、不同缺损程度的骨骼修复需求。此外，基于生物仿生学的多孔结构设计还能够有效提高细胞的生长效率和骨骼的再生能力。多孔结构为细胞提供了更多的附着点和生长空间，使得细胞能够在支架内部快速增殖和分化。

1.2基于3D打印技术的个性化多孔结构设计

随着3D打印技术的迅猛发展，其在骨支架多孔结构设计中的应用愈发广泛。3D打印技术以其高度的定制性和精度，为个性化多孔结构设计提供了强大的技术支持。通过结合医学影像技术，设计师可以获取患者骨骼的精确三维数据，进而构建出与缺损部位完全匹配的骨支架模型。在建模过程中，设计师充分考虑了骨支架的多孔结构特性。利用3D打印技术，设计师可以实现复杂多孔结构的精确制造，从而确保骨支架在力学性能和生物相容性方面达到最佳状态。同时，设计师还能够根据患者的具体病情和需求，调整多孔结构的形态、尺寸和分布，以实现个性化的治疗效果。这种基于3D打印技术的个性化多孔结构设计策略，不仅提高了骨支架的适配性和稳定性，还使得治疗更加精准和高效。多孔结构的设计使得骨支架在植入体内后能够更好地与周围组织相融合，促进细胞的黏附和生长。同时，个性化的设计也避免了传统骨支架可能存在的尺寸不匹配、稳定性差等问题，提高了患者的治疗体验和康复效果。此外，基于3D打印技术的个性化多孔结构设计还具有广阔的应用前景。随着技术的不断进步和成本的降低，这种设计策略有望在未来得到更广泛的应用，为更多骨缺损患者带来福音。

1.3基于功能梯度材料的多孔结构设计

功能梯度材料作为一种具有独特性质梯度变化的新型材料，近年来在骨支架多孔结构设计中展现出了巨大的潜力。这种材料通过精心设计的梯度结构，能够在不同部位呈现出不同的力学、化学和生物学特性，从而满足骨支架在复杂生理环境中的多重需求。在骨支架多孔结构设计中，设计师采用了功能梯度材料的理念，通过控制不同区域的孔隙率、孔径和孔形状，实现了骨支架在力学性能上的梯度变化。这种设计使得骨支架在承受外力时能够更加均匀地分布应力，避免了应力集中的现象，提高了整体结构的稳定性和耐用性。同时，功能梯度多孔结构还能够促进细胞的黏附和生长。通过调控孔壁的化学性质，设计师可以为细胞提供一个适宜的生长环境，促进细胞的增殖和分化。此外，不同区域的孔径和孔形状还能够影响细胞的迁移和分布，从而实现对细胞行为的精确调控。更为重要的是，功能梯度多孔结构能够与周围的生理环境相融合。随着骨支架在体内的植入和骨骼的再生，这种梯度结构能够逐渐适应并融入周围的组织中，实现骨支架与骨骼的无缝衔接。

2流场数值模拟模型的建立

2.1分析模型的确定

在骨组织工程的应用中，单一的单胞尺度难以满足情况多变的实际需求，因此，同时构建了1mm×1mm×1mm和3mm×3mm×3mm两种其他尺度下与5mm尺度模型孔隙率相同的单胞，不同尺度下单胞的结构相同。单胞作为构建骨支架多孔结构的基本单元，对其进行流场特性研究是后续探究骨支架多孔结构整体流场特性的基础，可为后续骨支架多孔结构的构建及流场研究提供参考。而骨支架多孔结构由单胞模型在三维空间内排列构建而成，在单胞构建成多孔结构后，其结构参数会发生改变，进而影响到结构的渗透率，需要再对所构建的多孔结构进行整体的流场数值模拟，分析多孔结构的性能。综上，本研究使用Fluent软件对1mm、3mm和5mm三种尺度L下孔隙率ϕ为45%、55%、65%和75%的单胞及由单胞构建的多孔结构进行CFD数值模拟，研究各模型内部的流场特性，为后续的骨支架构建提供依据。

2.2基本假设与公式

由于在实际骨组织培养中，骨支架内部营养液的流速较低且不可压缩，流动过程中热交换量和质量的影响较小，因此本研究进行的数值模拟均基于以下假设：(1)多孔结构内流体为不可压缩、有粘牛顿流体；(2)流体流动状态为层流，且符合达西定律；(3)流动过程中的热交换量忽略不计；(4)忽略重力影响。骨支架多孔结构应具有足够的渗透性来确保新生骨组织的生长以及营养物质的扩散和代谢废物的排出，借助Darcy定律对所设计结构的渗透率进行计算：公式为k=

k—渗透率(m2)；Q—多孔支架内营养液的体积流量(m3/s)；L—渗流路径长度(m)；∆P—流体域入口至出口的压降(Pa)；A—多孔结构的横截面积(m2)；μ—流体的运动粘度(Pa·s)。Darcy定律适用于均质孔隙结构中的单相流作直线稳定渗流的情况，需要满足的条件为雷诺数小于10。

2.3数值模拟边界条件与网格划分

多孔结构内流动流体为营养液，设定其密度p=1060kg/m3,动力粘度=0.001Pa·s。以所构建多孔结构为例，展示了边界条件的设置。

如图所示，模型上端面为营养液入口，下端面为营养液出口，其余所有端面为壁面。入口处为速度入口，营养液流速为0.001m/s，出口处为压力出口，压力大小为0Pa，壁面设置为无滑移壁面条件。在此边界条件下，结构内营养液为单向渗流，经计算所有模型的雷诺数均小于10，可以使用Darcy定律。之后使用FluentMeshing模块对模型进行网格划分，单元类型为Poly-hexcore，最大面网格大小为对应尺度多孔结构尺寸的1%，最小面网格大小为对应尺度多孔结构尺寸的0.5%。对本研究的所有网格模型均进行了网格无关性检查，以避免网格数量对模拟结果的影响。

结束语：

综上所述，通过对骨支架多孔结构设计及其流场特性的深入研究，设计师进一步理解了多孔结构对骨支架性能的关键影响，以及流场特性在骨骼再生过程中的重要作用。这为优化骨支架设计、提高其在临床应用中的效果提供了坚实的理论基础。随着材料科学、生物医学工程等交叉学科的不断发展，骨支架多孔结构的设计将更趋完善，流场特性的调控将更加精准，为骨缺损患者带来更为理想的治疗效果。

【引用文献】

[1]吴桐;王清辉;徐志佳.三周期极小曲面多孔材料渗透率尺度特性研究[J].系统仿真学报,2022(05)

[2]杨立军;张佳;王哲;闫程程.组织工程骨支架内部微孔结构流场特性分析[J].机械工程学报,2021(20)