基于实验指导的熔融电写支架计算机辅助设计及其在骨组织工程中的应用研究

为解决熔融电写(MEW)支架制造过程中纤维均匀性和定位误差影响力学性能的问题，研究人员开展实验指导的有限元分析(FEA)研究。通过建立理想模型与microCT重建模型的对比，发现交叉点融合失效是刚度降低的主因，误差系数(error coefficient)量化了数值与实验差异。该研究提出的计算机辅助(in silico)管道可为组织工程支架优化设计提供关键技术支持。

　　

在组织工程领域，三维支架的精准制造一直是研究人员面临的重大挑战。熔融电写(Melt Electrowriting, MEW)作为一种先进的增材制造技术，能够制备具有可调微尺度结构的三维支架，为组织再生提供了新的可能性。然而，MEW过程中经常出现的纤维均匀性和定位误差，会显著影响支架的力学和生物学性能。传统的"试错法"设计流程既耗时又昂贵，迫切需要开发更高效的设计方法。

针对这一难题，来自比利时鲁汶大学的研究团队在《Materials Chemistry and Physics》上发表了创新性研究成果。他们通过结合实验表征和计算机模拟，建立了完整的MEW支架设计与分析管道，为优化组织工程支架性能提供了新思路。

研究人员采用了多项关键技术：首先通过MATLAB开发定制化脚本计算支架设计参数，确保可打印性；使用定制MEW系统制备聚己内酯(PCL)管状支架；利用ElectroForce 360力学测试仪进行横向压缩、三点弯曲和单轴拉伸实验；采用Abaqus CAE进行有限元分析(FEA)，包括材料评估、全局模型和子模型分析；通过microCT(Pheonix Nanotom M?)扫描获取真实支架几何结构；结合Solid Edge和Materialise 3-matic进行三维建模和网格生成。

研究结果方面：

在材料本构模型研究中，通过狗骨样本的单轴拉伸实验数据拟合，发现neo-Hookean超弹性模型在保证数值稳定性的同时能较好描述PCL的力学行为，尽管高阶模型(如Ogden二阶模型)拟合度更高但稳定性较差。

力学性能对比显示，在所有加载情况下，理想模型的有限元模拟均高估了支架刚度，但过度预测的程度因加载方式而异。横向压缩(25%应变)的误差系数(error coefficient)为1.15，三点弯曲(12%应变)为14.57，单轴拉伸(20%应变)为8.5。应力集中主要出现在交叉点处，且应力集中点的数量与误差系数呈正相关。

微观CT重建模型分析表明，基于microCT的几何模型相比理想模型能更好预测实验力学行为，单轴拉伸20%应变时的误差系数从8.5降至1.5。真实支架的孔隙率(0.783)比理想模型(0.712)高约10%，这部分解释了刚度差异。

子模型机理研究中，通过三种交叉点子模型(理想完全融合、设计无融合、microCT部分融合)的对比，发现完全融合模型刚度最高，无融合模型刚度最低，microCT模型介于中间。应力集中在交叉点外层区域，实验观察证实这些区域出现了分层和塑性变形。

研究结论表明，MEW支架的力学性能显著受纤维交叉点融合质量的影响。理想有限元模型会高估支架刚度，但这种差异可通过microCT重建的真实几何模型部分缓解。研究人员提出的实验指导计算机辅助设计管道，结合全局模型和详细子模型的分析策略，能够高效评估支架力学行为，减少对昂贵实验测试的依赖。

该研究的重要意义在于首次系统量化了MEW制造误差对支架力学性能的影响，并提出了可行的解决方案。通过误差系数概念，研究人员能够量化数值模型与实验测量之间的差异，为MEW支架的设计优化提供了重要工具。子模型方法的引入使研究人员能够深入研究交叉点的微观力学行为，而无需模拟整个支架，大大节省了计算资源。这项研究不仅为骨组织工程支架设计提供了具体指导，其方法论也可推广到其他组织工程应用领域，包括心血管、软骨和软组织工程等，对推动组织工程从实验室向临床应用转化具有重要价值。