基于细胞生长与成骨分化的不同孔径生物支架流体力学有限元分析OA北大核心

目的:应用流体力学有限元分析方法,建立相同孔隙率、不同孔径的三周期极小曲面(triply periodic minimal surfaces,TPMS)螺旋形(Gyroid)多孔支架模型,模拟体内微环境,通过比较不同孔径支架的流体流速、壁面剪切应力、渗透率等相关参数变化,分析不同孔径的多孔支架对细胞黏附、增殖和成骨分化的可能影响。方法:利用nTopology软件建立3组孔径的Gyroid多孔支架模型,支架尺寸为10 mm×10 mm×10 mm,孔径大小分别为400、600、800μm,内部结构为各向同性。利用ANSYS 2022R1软件划分为非结构四面体网格,网格总数300+万。设定边界条件,流场域入口速度分别为0.01、0.1、1 mm/s,出口压力为0 Pa。根据Navier-Stokes方程计算流体流经支架时的压力、流速、壁面剪切应力,根据达西定律(Darcy’s law)计算渗透率,使用ANSYS 2022R1软件中的Static structural模块对上述3种孔径支架的结构模型进行抗压强度分析。结果:当入口流速分别为0.01、0.1、1 mm/s时,壁面剪切应力与流体流速呈线性关系,流速增加会导致壁面剪切应力增大。在0.1 mm/s流速下,当流体流经孔径为400、600、800μm的3组支架时,压力呈梯度分布并逐渐减小,入口端压力依次为0.272、0.083、0.079 Pa;平均流速依次为0.093、0.078、0.070 mm/s;平均壁面剪切应力依次为2.955、1.343、1.706 mPa;渗透率依次为0.54×10-8、1.80×10-8、1.89×10-8 m 2。计算3组支架内部最适合细胞黏附、增殖与成骨分化的壁面剪切应力范围所在区域占比,其中600μm孔径支架该剪切应力范围内的内表面面积占比最大(27.65%),其次是800μm孔径支架(17.30%),400μm孔径支架占比最小(1.95%)。400、600和800μm孔径支架的抗压强度依次为23、26、34 MPa。结论:3组孔径的Gyroid支架在压应力作用下,应力分布均匀;600和800μm孔径的Gyroid支架渗透率明显高于400μm组,600μm孔径的支架平均壁面剪切应力最小,且内部适合细胞生长与成骨分化的壁面区域占比最大,可能更适合于细胞黏附、增殖与成骨分化。