哈弗斯系统启发式股骨缺损支架设计：周向与径向管道排列的性能对比研究

《Journal of Materials Research and Technology》：A Scaffold Design Method for Femoral Defects Incorporating Haversian System-Inspired Architecture: Performance Comparison of Circumferential and Radial Canal Arrangements

本文提出一种结合哈弗斯系统仿生结构的多目标优化支架设计方法，通过对比周向与径向排列的福尔克曼管网络发现：周向排列支架屈服强度达88.01 MPa，径向排列支架渗透率高达4.093×10-9 m2。研究为股骨缺损修复提供了弹性模量靶向定制方案，推动骨植入物优化与临床转化。

　　

Highlight

本研究通过融合哈弗斯系统仿生结构与多目标优化技术，开发出针对股骨缺损修复的创新型支架设计方法。重点对比了福尔克曼管类通道的两种空间排列方式——周向与径向分布对支架性能的影响。

方法

支架设计包含两个关键区域：模拟皮质骨的哈弗斯系统仿生区（由哈弗斯管类和福尔克曼管类通道构成）以及模拟髓腔的Voronoi镶嵌填充区。基于大鼠和人类个体化CT扫描数据重建股骨节段模型以定义形态学约束，采用拉丁超立方采样生成每组64个设计点。通过有限元分析(FEA)评估力学性能，结合代理模型与NSGA-II算法优化力学与表面性能，最后使用复杂比例评估法对比两种设计方案。

结果

支架弹性模量范围为7-23 GPa。在可比条件下，优化后的周向管道网络支架表现出88.01 MPa的屈服强度、1.624×10^-9 m²的渗透率和3.97 mm^-1的比表面积；而径向管道网络支架相应参数为62.73 MPa、4.093×10^-9 m²和3.42 mm^-1。周向排列显著提升力学性能，径向设计则具有更高渗透性。复杂比例评估表明，周向排列的福尔克曼管类通道更适用于股骨缺损修复。

结论

该设计方法支持弹性模量靶向的支架定制，为骨植入物的优化与转化提供重要参考。