近日，中山大學材料科學與工程學院王山峰教授研究團隊通過基于有限元分析的壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和流體模擬，結合面投影微立體光刻（PμSL）支架快速制備技術和數(shù)字圖像相關（DIC）等實驗方法，對基于單胞的圓柱形和球形孔支架結構的本征幾何參數(shù)、力學性質(zhì)和流體性質(zhì)進行了系統(tǒng)全面的實驗與模擬的對比研究。相關成果以“A comparative study on cylindrical and spherical models in fabrication of bone tissue engineering scaffolds: Finite element simulation and experiments”為題發(fā)表在國際著名期刊《Materials & Design》上（DOI: 10.1016/j.matdes.2021.110150）。
骨組織工程支架是治療骨缺損的策略之一，可光交聯(lián)的聚富馬酸丙二醇酯（PPF）被證實具有生物相容性和生物降解性，并作為樹脂材料用多種三維成型方法制備支架結構，在骨組織工程使用上具有良好前景。理想的骨支架應具備適當?shù)目讖，高度多孔以及仿生化的結構。王山峰教授團隊根據(jù)孔徑與實體部分長度的比例（L/D）在Abaqus軟件中設計了具有圓柱形和球形孔結構的兩種模型，采用有限元分析對模型進行了單軸壓縮模擬、剪切模擬和扭轉(zhuǎn)模擬等結構分析，并對使用PμSL打印的PPF實物支架進行了壓縮實驗和DIC分析。此外，還對模型進行了流體模擬來探究支架的流體滲透性。結果表明，球形單胞總的來說比圓柱形單胞具有更大的孔隙率和比表面積，然而從力學性能和流體性質(zhì)兩方面來看，當L/D相同或孔隙率相同（55%-67%）時，圓柱形單胞比球形單胞具有更高的壓縮/剪切模量和更好的應力分布，并且具有更高的扭轉(zhuǎn)剛度和液體滲透性。實驗與模擬所得的應力-應變曲線之間在彈性形變范圍內(nèi)具有較好的一致性，證實數(shù)值計算的準確性和有效性。該研究提示支架的孔隙率、比表面積、力學性能以及流體滲透性等性質(zhì)可以通過不同的孔結構和不同的L/D值來調(diào)節(jié)，對于組織工程支架的設計、性能預測和實驗提供了指導。
圖1 施加于兩種類型單胞上的約束與載荷-（a）周期性邊界條件下的單軸壓縮模擬、（b）周期性邊界條件下的剪切模擬和（c）流體模擬
圖2 3D打印PPF支架的（a）照片和（b）SEM圖；（c）支架表面的隨機散斑；單軸壓縮實驗前后的（d）支架及（e）微孔結構照片；（f）通過DIC獲得的支架表面應變分布（總壓縮應變?yōu)?%）
論文第一作者為中山大學材料科學與工程學院博士研究生許博聞，其導師王山峰教授、美國Mayo Clinic的Lichun Lu教授、中山大學材料科學與工程學院楊亞斌副教授為共同通訊作者。該研究得到中國國家自然科學基金（51973242）、中山大學“百人計劃”啟動經(jīng)費、廣州市科技計劃重點項目（201704020145）、廣州市基礎與應用基礎研究基金（202102020006）與廣東省基礎與應用基礎區(qū)域性聯(lián)合研究計劃（2020A1515110674）的支持。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026412752100705X?via%3Dihub
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