通过孔隙梯度增强功能分层骨 scaffold 中的机械刺激：有限元分析研究
医学物理
2025-11-03 v1 计算物理
摘要
在骨 scaffold 中实现最佳生物力学环境对于促进组织再生至关重要，尤其是在负载承受解剖部位，刚性固定可导致应力掩蔽并妨碍愈合。功能分层（FG）scaffold因其包含受控孔隙率或材料属性变化的设计而引起广泛关注，旨在通过更有利的负载传递来缓解应力掩蔽。本研究系统性地探讨了孔隙梯度幅度（即最大-最小孔隙率比）、梯度分辨率、scaffold材料属性以及固定板刚度对FG scaffold内机械刺激分布的影响。对股骨段裂伤模型进行有限元分析（FEA），并与由body-centered cubic（BCC）单元构成的均匀scaffold进行比较评估。评估了钛合金（Ti-6Al-4V）、生物活性玻璃（45S5 Bio-glass）和聚乳酸（PLA）等材料，以捕捉不同材料刚度。引入孔隙梯度后，scaffold内六�锥应变的均值得以持续增强，尤其在靠近固定板的区域（受应力掩蔽影响）更为显著。机械刺激改善程度随孔隙梯度幅度增大和梯度分辨率提高而提升。这种改善在较硬材料（如Ti-6Al-4V）中尤为显著，凸显了scaffold材料属性与结构设计之间的关键相互作用。本研究突显了在骨再生中优化scaffold力学性能需要同时考虑孔隙轮廓和材料选择的重要性。
关键词
引用
@article{arxiv.2510.27367,
title = {Enhancing Mechanical Stimuli in Functionally Graded Bone Scaffolds Through Porosity Gradients: A Finite Element Analysis Study},
author = {Anson Wen Han Cheong and Vahid Badali and Sean Kiely and Iman Roohani and Yang Jiang and Jianguang Fang and Ali Entezari},
journal= {arXiv preprint arXiv:2510.27367},
year = {2025}
}