骨組織工程支架建模與孔隙參數(shù)分析.pdf

1、制造工藝的多樣性使得骨組織工程支架的三維貫通結(jié)構(gòu)十分的復(fù)雜，傳統(tǒng)方法如理論計算、SEM掃描、壓汞法等難以實現(xiàn)支架及孔隙三維完整結(jié)構(gòu)的分析，也難以定量研究孔隙貫通性隨某一方向的變化規(guī)律。支架的孔隙參數(shù)如孔隙率、孔徑大小、孔隙分布、比表面積和貫通性等決定了骨支架的生物學(xué)及力學(xué)性能，不僅反映了支架的制備工藝，而且為研究細胞在不同結(jié)構(gòu)中粘附及生長提供參考。本文選取三種不同工藝（球粒堆積、蠟球造孔、纖維堆積）構(gòu)建的羥基磷灰石多孔支架進行斷層掃描，

2、并以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)從三個方面對支架孔隙結(jié)構(gòu)能進行研究:
　　(1)利用Micro-CT掃描三種支架獲取點陣圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)灰度值區(qū)分材料與孔隙并分別建立支架材料、孔隙及剖面的三維模型。觀察并分析各種模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可看出堆積支架與造孔支架的孔隙分布較均勻，宏孔孔徑一致且貫通性良好，而纖維堆積支架中纖維擠壓不均勻，存在過密和過疏的區(qū)域，整體貫通性要差。從材料表面分析，堆積支孔隙表面有大量凹凸不平的點，造孔支架表面比較光滑，而纖維支架則

3、存在許多與纖維擠壓方向一致的條紋。
　　(2)利用像素統(tǒng)計、軟件測量等方法計算三種材料的孔隙參數(shù)——宏孔孔隙率及其隨高度方向的分布、比表面積、宏孔及貫通孔直徑。對比宏孔孔隙率變化曲線，堆積支架與造孔支架曲線呈現(xiàn)“類正（余）弦”分布，且孔隙隨高度變化較小;纖維支架曲線則呈現(xiàn)不規(guī)則“階梯”狀分布，其宏孔孔隙率受高度變化影響較大，表明該制備工藝會影響支架材料孔隙分布的均勻性。對比其他參數(shù)值，造孔支架中孔徑、比表面積最高，堆積支架與纖維支

4、架中各參數(shù)相近，但纖維支架狹縫內(nèi)具有大量無效表面。
　　(3)結(jié)合前期的動物實驗結(jié)果，根據(jù)掃描圖像建立堆積支架與造孔支架的二維流動模型。分析內(nèi)流場速度分布云圖及速度矢量圖，流體能很好的貫穿流過這兩種支架，表明材料具有較好的孔隙貫通。分析流場中高速流與低速流位置，堆積支架中大部分材料區(qū)域都被高速流動區(qū)域所覆蓋，少量的“漩渦流”位于“Y”型流動區(qū)域上方;而造孔支架材料邊緣存在大量的“漩渦流”，不僅增加了流動的沿程損失，而且在高速流與材