近日，中山大学材料科学与工程学院王山峰教授研究团队通过基于有限元分析的压缩、剪切、扭转和流体模拟，结合面投影微立体光刻（PμSL）支架快速制备技术和数字图像相关（DIC）等实验方法，对基于单胞的圆柱形和球形孔支架结构的本征几何参数、力学性质和流体性质进行了系统全面的实验与模拟的对比研究。相关成果以“A comparative study on cylindrical and spherical models in fabrication of bone tissue engineering scaffolds: Finite element simulation and experiments”为题发表在国际著名期刊《Materials & Design》上（DOI: 10.1016/j.matdes.2021.110150）。
骨组织工程支架是治疗骨缺损的策略之一，可光交联的聚富马酸丙二醇酯（PPF）被证实具有生物相容性和生物降解性，并作为树脂材料用多种三维成型方法制备支架结构，在骨组织工程使用上具有良好前景。理想的骨支架应具备适当的孔径，高度多孔以及仿生化的结构。王山峰教授团队根据孔径与实体部分长度的比例（L/D）在Abaqus软件中设计了具有圆柱形和球形孔结构的两种模型，采用有限元分析对模型进行了单轴压缩模拟、剪切模拟和扭转模拟等结构分析，并对使用PμSL打印的PPF实物支架进行了压缩实验和DIC分析。此外，还对模型进行了流体模拟来探究支架的流体渗透性。结果表明，球形单胞总的来说比圆柱形单胞具有更大的孔隙率和比表面积，然而从力学性能和流体性质两方面来看，当L/D相同或孔隙率相同（55%-67%）时，圆柱形单胞比球形单胞具有更高的压缩/剪切模量和更好的应力分布，并且具有更高的扭转刚度和液体渗透性。实验与模拟所得的应力-应变曲线之间在弹性形变范围内具有较好的一致性，证实数值计算的准确性和有效性。该研究提示支架的孔隙率、比表面积、力学性能以及流体渗透性等性质可以通过不同的孔结构和不同的L/D值来调节，对于组织工程支架的设计、性能预测和实验提供了指导。
图1 施加于两种类型单胞上的约束与载荷-（a）周期性边界条件下的单轴压缩模拟、（b）周期性边界条件下的剪切模拟和（c）流体模拟
图2 3D打印PPF支架的（a）照片和（b）SEM图；（c）支架表面的随机散斑；单轴压缩实验前后的（d）支架及（e）微孔结构照片；（f）通过DIC获得的支架表面应变分布（总压缩应变为4%）
论文第一作者为中山大学材料科学与工程学院博士研究生许博闻，其导师王山峰教授、美国Mayo Clinic的Lichun Lu教授、中山大学材料科学与工程学院杨亚斌副教授为共同通讯作者。该研究得到中国国家自然科学基金（51973242）、中山大学“百人计划”启动经费、广州市科技计划重点项目（201704020145）、广州市基础与应用基础研究基金（202102020006）与广东省基础与应用基础区域性联合研究计划（2020A1515110674）的支持。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026412752100705X?via%3Dihub
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