S型三周期极小曲面径向功能梯度骨支架的力学及流体动力学特性OA

背景:骨支架的仿生设计与功能梯度调控是提升骨缺损修复效能的关键,现阶段的均质支架难以协调力学承载与物质传输矛盾,植入后易引发应力集中或营养供给不足,成为制约骨再生效果的关键因素。目的:研究Primitive(P)型、Gyroid(G)型及GP型复合结构对支架力学性能、物质传输能力及细胞微环境构建的影响差异。方法:基于数字光处理技术,结合三周期极小曲面理论,提出Sigmoid函数驱动的拓扑渐变算法,制备单一G型结构、单一P型结构以及GP型复合结构的β-硅酸钙/生物活性玻璃径向分级多孔支架,通过力学仿真、流体动力学模拟与壁剪切应力分析系统对比3类结构支架的性能。结果与结论:①有限元分析显示,G型结构支架的应力分布均匀,最大Mises应力最大,GP型复合结构支架的最大Mises应力最低,应力分布较单一结构支架更均匀;P型结构支架的最大位移量最大,GP型复合结构支架的最大位移量最小。静态压缩测试结果显示,G型、P型、GP型复合结构支架的弹性模量分别为2.90,3.39,3.38 GPa。流体动力学模拟与渗透性测试显示,GP型复合结构支架的渗透率为3.4×10^(-9) m^(2),显著高于单一结构支架,并且处于松质骨渗透率参考范围的最佳区间。G型结构支架壁剪切应力的平均值为0.86 Pa、最大值为1.13 Pa,P型结构支架壁剪切应力的平均值为1.40 Pa、最大值为2.65 Pa,GP型复合结构支架壁剪切应力的平均值为1.01 Pa,最大值为1.68 Pa,处于骨再生最佳刺激区间。②结果表明,仿哈弗斯系统梯度设计的GP型复合结构支架,可有效协调力学支撑与生物功能的矛盾。