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在骨组织工程中，植入支架与周围组织间有效运输营养和废物是难题。研究人员开展了非牛顿灌注系统下陀螺状（gyroid）支架的计算流体动力学（CFD）分析。结果表明非牛顿流产生更高壁面剪应力（WSS）和更低渗透率。该研究有助于优化支架设计。
在生物医学领域，组织工程致力于利用支架、细胞和生物活性分子来实现组织再生。理想的支架需要具备高孔隙率，以便细胞生长、营养运输和废物排出，同时还应具备生物相容性和可降解性 。近年来，增材制造技术的进步使得制造具有复杂拓扑结构的骨组织支架成为可能，其中，三重周期最小曲面（TPMS）结构的支架备受关注，而陀螺状（gyroid）结构作为 TPMS 的一种，因其高比表面积、良好的渗透性、生物相容性以及能产生促进骨诱导和细胞增殖的壁面剪应力（WSS）等优势，在组织工程中展现出巨大潜力。
然而，目前在骨组织工程研究中仍存在诸多挑战。一方面，以往多数研究在分析时使用牛顿流体来模拟工作流体，将血液视为具有恒定粘度的牛顿流体进行参数研究，但血液实际具有非牛顿特性，其粘度会随剪切速率变化，这会改变支架内 WSS 的分布，进而影响研究结果的准确性 。另一方面，虽然脉动流在人体循环系统中普遍存在，且对细胞生长有重要影响，但由于实验复杂性，针对振荡流体流经支架的体外研究非常有限。因此，为了更准确地预测体内细胞培养结果，有必要将脉动非牛顿流特性纳入陀螺状结构的流体动力学计算模拟中 。
为了解决这些问题，研究人员开展了相关研究。他们通过计算流体动力学（CFD）分析，旨在确定陀螺状结构的最佳设计参数，模拟在流体灌注下替代骨的多孔结构。
研究人员运用了以下关键技术方法：首先，使用 Solidworks 2016 软件构建不同壁厚（t）和长度比（r）的陀螺状支架模型，r 为单位晶胞长度（L）与整体支架长度（L1）的比值 。其次，运用 CFD 模拟，分别考虑牛顿流体和非牛顿流体，设置特定的边界条件，如入口速度、出口压力等，并采用相应的控制方程进行分析 。最后，利用 ANSYS fluent 软件中的有限体积法进行 CFD 模拟，通过 SIMPLE 算法实现压力 - 速度耦合，设置合理的收敛公差和网格条件，计算支架的渗透率和 WSS 等参数 。
下面来看看具体的研究结果：
- 流体动力学特性：整体平均流速随 r 减小而增加，壁厚为 0.5mm 时的流速大于 0.2mm 时的流速 。压力变化则随 r 减小和 t 增加而增大 。牛顿流体和非牛顿流体在特定模型中的流速分布相似，但压力分布存在显著差异，非牛顿流的压力降更高 。
- 渗透率：对于特定厚度，牛顿流体流经支架时的渗透率远高于非牛顿流体 。渗透率随厚度减小、长度比增加而增大，且牛顿流体的渗透率约为非牛顿流体的 3.5 倍 。当厚度减小、长度比增加时，非牛顿流体的行为更接近牛顿流体 。
- 壁面剪应力（WSS）：WSS 分布受孔隙率、孔径、支架结构和外周阻力等因素影响 。其随长度比减小而增加，且随壁厚增加而增大，在最大壁厚和最小长度比时达到最大值 。非牛顿流体产生的 WSS 约为牛顿流体的 2.5 倍 。部分非牛顿流体灌注下的高 WSS 可能导致细胞损伤，但也会增加最佳细胞播种面积 。
- 脉动流的影响：脉动流输入时，WSS 随时间呈波浪式变化 。最小的长度比和壁厚可使 WSS 达到最大值 。与稳定流相比，脉动流能使更多区域处于高 WSS 区域，且脉动流的最大 WSS 值更大 。压力降的变化则随厚度和长度比增加而变得平缓 。
在研究结论与讨论部分，此次研究表明，非牛顿流行为在支架灌注模拟中至关重要，能更准确地模拟生物流体的剪切变稀特性 。通过对不同陀螺状支架的 CFD 模拟，发现流速分布、渗透率、WSS 等受支架参数和流体类型影响 。与以往研究相比，该研究中渗透率的计算值与其他研究相符，验证了 CFD 分析的可靠性 。同时，研究也指出了自身的局限性，如仅分析了陀螺状模型，未考虑其他 TPMS 结构；未研究其他支架参数对流体动力学响应的影响；缺乏实验分析；未考虑支架与流体的相互作用以及细胞在支架内的响应等 。
尽管存在这些不足，该研究依然具有重要意义。它为组织工程中支架的设计提供了关键指导，有助于创建更适合细胞生长的体外灌注环境，为骨组织再生和修复的研究开辟了新方向，有望推动再生医学领域的进一步发展，为未来解决骨组织损伤修复等临床问题提供理论依据和技术支持。
