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  近日，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王山峰教授研究團(tuán)隊通過基于有限元分析的壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和流體模擬，結(jié)合面投影微立體光刻（PμSL）支架快速制備技術(shù)和數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）等實驗方法，對基于單胞的圓柱形和球形孔支架結(jié)構(gòu)的本征幾何參數(shù)、力學(xué)性質(zhì)和流體性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)全面的實驗與模擬的對比研究。相關(guān)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(jié)構(gòu)，在骨組織工程使用上具有良好前景。理想的骨支架應(yīng)具備適當(dāng)?shù)目讖剑叨榷嗫滓约胺律慕Y(jié)構(gòu)。王山峰教授團(tuán)隊根據(jù)孔徑與實體部分長度的比例（L/D）在Abaqus軟件中設(shè)計了具有圓柱形和球形孔結(jié)構(gòu)的兩種模型，采用有限元分析對模型進(jìn)行了單軸壓縮模擬、剪切模擬和扭轉(zhuǎn)模擬等結(jié)構(gòu)分析，并對使用PμSL打印的PPF實物支架進(jìn)行了壓縮實驗和DIC分析。此外，還對模型進(jìn)行了流體模擬來探究支架的流體滲透性。結(jié)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(xué)性能和流體性質(zhì)兩方面來看，當(dāng)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(yīng)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(yīng)力-應(yīng)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(zhǔn)確性和有效性。該研究提示支架的孔隙率、比表面積、力學(xué)性能以及流體滲透性等性質(zhì)可以通過不同的孔結(jié)構(gòu)和不同的L/D值來調(diào)節(jié)，對于組織工程支架的設(shè)計、性能預(yù)測和實驗提供了指導(dǎo)。

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(jī)散斑；單軸壓縮實驗前后的（d）支架及（e）微孔結(jié)構(gòu)照片；（f）通過DIC獲得的支架表面應(yīng)變分布（總壓縮應(yīng)變?yōu)?%）

  論文第一作者為中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生許博聞，其導(dǎo)師王山峰教授、美國Mayo Clinic的Lichun Lu教授、中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)基金（51973242）、中山大學(xué)“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(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（202102020006）與廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)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