摘要：目的多维度应力遮挡是骨组织工程支架设计应当考虑的重要科学问题之一,既有研究多考虑骨支架单维度的刚度与天然骨相适配,这种单维度刚度适配并不能完全体现支架-骨刚度的适配性。因此,本文针对近似正交各向异性天然松质骨,以3个正交维度上的主刚度比作为适配条件,寻找与天然骨多维度刚度相适配的支架构型。方法以股骨头解剖部位的松质骨为研究对象,利用连续介质力学方法求解松质骨的一般刚度矩阵,再通过刚阵旋转获取近似正交各向异性的松质骨刚度矩阵,确定松质骨3个维度上的主刚度(E1>E2>E3)及两两间的主刚度比。以天然骨主刚度比为适配目标,构建空间杆件交叉格栅支架结构,结合理论、实验和数值分析方法,通过调整两个角自由度(θ,φ)控制支架在3个维度上的主刚度比。通过对比天然骨和格栅支架主刚度比确定支架结构。结果松质骨三个维度上两两间的主刚度比分别为:1.0<E1/E2<2.0,1.0<E2/E3<2.0,1.7<E1/E3<3.5;而支架设计自由度在(θ,φ)=(48°,38°)和(θ,φ)=(55°,33°)附近时,支架三个维度上两两间的刚度比能够与天然骨相适配,满足多维度刚度适配的要求。结论相较于单维度刚度的适配设计,本研究基于支架-骨多维度的刚度适配提供了一种骨组织工程支架的设计方法,为进一步解决骨支架植入后的应力遮挡提供更全面的参考方案。

摘要：目的骨支架内部营养物质的提供与废物的排出对骨组织再生至关重要,细胞受到的流体剪切应力被认为是重要的机械调控信号。扭转结构元素存在于天然骨骼的多个分级结构中,搅拌是日常生活中加速流体中物质均匀的常用手段。受此启发,本研究将扭转效应融入支架构型设计,提出了一种可扭转的骨支架结构构型,并进一步研究其在生理荷载作用下的物质传输行为和流体剪切应力水平。方法采用数值分析的手段,对支架施加循环荷载以模拟所受到的生理振荡荷载,对支架结构及周围流体进行流固耦合分析,并评估可扭转支架内部的物质传输效率及壁面剪切应力水平。结果研究结果显示,无论是物质传输能力,还是细胞剪切应力响应水平,扭转支架均相对传统支架展示出优越性;对荷载作用下支架-流体的流固耦合效应的考虑能够更为真实反映支架微环境,更为真实探讨支架的成骨效应。结论将扭转效应融入新型支架构型设计及优化,具备辅助提高成骨效率的潜力;结合数值分析,有助于开发新型的可加载器官芯片模型。