负泊松比骨支架变形过程中的流体动力学特性：质量传输与壁面剪切应力(WSS)的数值模拟研究

本研究针对负泊松比(A-scaffold)与非负泊松比(N-scaffold)骨支架在压缩变形下的生物功能差异，通过计算流体动力学(CFD)模拟分析了0%、5%、10%应变下支架内部流体流动轨迹、渗透率及壁面剪切应力(WSS)分布。研究发现A-scaffold的凹形支柱虽降低X方向渗透率，但能促进流体均匀分布，其动态变形导致的非均匀WSS分布(<0.05 mPa区域占比P(WSS<0.05 mPa) 变化显著)更利于细胞机械刺激传导，为骨科植入物设计提供了新思路。

　　

骨组织工程领域长期面临一个核心矛盾：高孔隙率支架虽能促进营养交换和细胞生长，却往往牺牲机械强度。传统支架在受力时横向收缩的特性，可能进一步限制其生物学性能。而具有负泊松比效应的特殊材料（auxetic materials）在拉伸时横向膨胀、压缩时横向收缩的反常力学行为，为这一难题提供了新思路。这类材料已展现出抗压痕、高能量吸收等优势，但其在动态变形过程中如何影响营养传输、代谢废物清除等关键生物功能，仍是未解之谜。

北京航空航天大学和北京理工大学的研究团队在《Medicine in Novel Technology and Devices》发表论文，首次通过数值模拟揭示了负泊松比骨支架(A-scaffold)在压缩变形过程中的流体动力学特性。研究团队设计了孔隙率均为80%的A-scaffold（凹角75°）和对照N-scaffold（凸角105°），采用有限元分析(FEA)模拟0%、5%、10%压缩应变下的结构变形，再通过计算流体动力学(CFD)计算水流动时的压力分布、流速、渗透率和壁面剪切应力(WSS)。

关键技术方法包括：1) 基于Pro/E软件构建具有re-entrant honeycomb结构的3D支架模型；2) 使用Abaqus Explicit进行准静态压缩模拟；3) ANSYS Fluent求解Navier-Stokes方程计算流体参数；4) 通过Darcy定律计算渗透率；5) 定量分析WSS分布及低剪切区域占比P_{(WSS<0.05 mPa)}
。

3.1 支架内流体流动动力学
压力-流速线性关系验证了模型可靠性(R²

0.9988)。A-scaffold在X方向10%应变时最大流速达0.45 mm/s，显著高于N-scaffold的0.324 mm/s。流线可视化显示A-scaffold内部流速分布更均匀，其凹形支柱改变了流体轨迹。

3.2 渗透率
A-scaffold在X方向应变增加时渗透率显著下降（从1.5×10^-9
m²
降至0.8×10^-9
m²
），而N-scaffold变化平缓。Z方向初始渗透率A-scaffold(1.8×10^-9
m²
)高于N-scaffold(1.3×10^-9
m²
)，但随变形差异缩小。

3.3 壁面剪切应力
WSS分布显示：A-scaffold在X方向最大WSS达4.775 mPa（N-scaffold仅1.925 mPa），且WSS_AVG
从0.733 mPa增至1.484 mPa。Z方向WSS分布更均匀，但N-scaffold存在更多低剪切区域（P_{(WSS<0.05 mPa)}
达35%）。

讨论部分指出三个突破性发现：首先，A-scaffold的变形响应创造了动态WSS环境（0.733-1.484 mPa），该范围已被证实可促进间充质干细胞(MSCs)成骨分化。其次，尽管X方向渗透率降低，但凹形结构产生的涡流增强了内部流体混合。最重要的是，A-scaffold在X方向表现出更强的机械刺激传导能力，其WSS_AVG
变化幅度是Z方向的3倍。

该研究首次建立负泊松比支架变形-流体动力学耦合模型，揭示几何构型与变形模式的协同效应：凹角设计虽牺牲部分渗透率，但通过1) 提升WSS动态范围、2) 优化内部流动均匀性、3) 增强机械刺激定向传导，实现了"力学性能-生物功能"的平衡。这些发现为开发兼具高承载能力和生物活性的新一代骨修复材料提供了理论依据，特别适用于承受周期性载荷的关节部位植入物设计。未来研究需进一步考虑非牛顿流体特性和动态流-固耦合效应，以更精确模拟生理环境。