3D打印Ti-6Al-4V壳体的内部结构及扩散的初步有限元模拟：基于CAD信息的建模与Micro-CT定性表征

《Materials》：Internal Architecture of a 3D-Printed Ti-6Al-4V Capsule and Preliminary FEM Simulation of Diffusion: CAD-Informed Modeling with Qualitative Micro-CT Characterization

　　

摘要

植入式局部给药系统面临的一个核心挑战在于：在尚缺乏药物特异性装载、释放及生物学验证数据的情况下，如何确定内部器件架构如何影响溶质传输。本研究考察了此前已表征的KTD/KTM Ti-6Al-4V胶囊平台的储库–通道架构，并评估了其在初步有限元模型中对扩散主导浓度再分布的影响。采用微计算机断层扫描（micro-CT）对制造工艺完成后的内部架构进行定性表征，而代表性计算几何模型则依据胶囊的计算机辅助设计（CAD）概念及此前报道的尺寸进行定义。在COMSOL Multiphysics 5.2中对一种标称完全溶解物质的传输进行了建模，采用Fick扩散并规定了有效扩散系数（D_eff = 1 × 10^?9 m²/s）及标称峰值初始浓度量级为1.0 mol/m³。在封闭无通量边界条件下，内部控制点的浓度在约4小时内降至接近零，而远端外部控制点在6小时内达到约0.002–0.003 mol/m³。单侧Dirichlet汇边界条件产生了更具方向性的浓度场，表明模拟分布对几何形状和边界条件具有敏感性。这些结果描述的是一个理想化的、基于CAD信息的扩散问题，并不代表经过实验验证的药物释放动力学、治疗浓度或生物学性能。因此，该模型旨在作为设计阶段框架，用于指导后续的药物特异性传输及实验验证研究。