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

摘要

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 m²。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。

关键词

生物支架 / 孔径 / 有限元分析 / 流体力学 / 成骨分化