大骨缺损功能梯度 scaffolds 的生物力学与生物力学建模
计算物理
2025-11-04 v1
摘要
关键尺寸骨缺损仍是临床中的主要挑战，需要结合机械稳定性与再生能力的 scaffolds。受原生骨梯度结构启发，功能梯度（FG）scaffolds 通过空间变化孔隙度来优化负载传递和组织植入。本文提出了集成的有限元智能体建模（FEA ABM）框架，用于在生理相关条件下同时评估 FG scaffolds 的生物力学和再生潜能。比较了轴向或径向孔径梯度的圆柱形 scaffolds与均匀对照。有限元模型包含多孔弹性组织力学和步态加载，以计算局部剪切应变和流体速度，这些参数指导智能体模型中的细胞行为，包括前体迁移、增殖、分化和凋亡。150 天的仿真结果表明，轴向梯度（host 骨界面处孔径更大）促进了更大的骨植入，而径向梯度（周边strut密度更大）显著降低了峰值 von Mises 应力。这些发现突显了在最大化再生性能与增强结构能力之间存在的根本性设计权衡。耦合 FEA ABM 框架为下一代 FG scaffolds的机械化设计平台建立了基础，为针对缺损位置和加载环境的术前优化植体提供了路径。
关键词
引用
@article{arxiv.2511.00743,
title = {Biomechanical and Mechanobiological Modelling of Functionally Graded Scaffolds for Large Bone Defects},
author = {Ali Entezari and Vahid Badali and Sara Checa},
journal= {arXiv preprint arXiv:2511.00743},
year = {2025}
}