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.pdfVIP

北京大学学报（医学版）

JOURNALOFPEKINGUNIVERSITY(HEALTHSCIENCES)Vol.57No.1Feb.2025·97·

·论著·

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

胡轶博，吕伟佳”,夏炜”，刘亦洪1

（1.北京大学口腔医学院·口腔医院综合科，国家口腔医学中心，国家口腔疾病临床医学研究中心，口腔生物材料

和数字诊疗装备国家工程研究中心，北京100081；2.中国中医科学院西苑医院口腔科，北京100091；3.Depart-

mentofMaterialsScienceandEngineering,UppsalaUniversity,Uppsala75121,Sweden)

【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（triplyperiodicmini-

malsurfaces,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10mm×10mm×10mm,孔径大小分别为400、

600、800μm，内部结构为各向同性。利用ANSYS2022R1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、1mm/s，出口压力为0Pa。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’slaw）计算渗透率，使用ANSYS2022R1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、1mm/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0.1mm/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、0.079Pa；

平均流速依次为0.093、0.078、0.070mm/s；平均壁面剪切应力依次为2.955、1.343、1.706mPa；渗透率依次为

0.54×10-8、1.80×10-8、1.89×10-8m²。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、34MPa。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

[文章编号】1671-167X(2025)01-0097-09

［中图分类号】R782.4【文献标志码】A［

doi:10.19723/j.issn.1671-167X.2025.01.015

Hydrodynamicfiniteelementanalysisofbiologicalscaffoldswithdifferentporesizes

forcellgrowthandosteogenicdifferentiation

HUYibo,LYUWeijia,XIAWei,LIUYihonga

(1.DepartmentofGeneralDentistry,PekingUniversitySchoolandHospitalofStomatologyNationalCenterforStomato-

logyNationalClinicalRes