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组织工程三维多孔骨支架内部微流体流场研究汇报人：2024-01-24

目录contents引言三维多孔骨支架内部微流体流场理论基础三维多孔骨支架内部微流体流场实验方法三维多孔骨支架内部微流体流场数值模拟

目录contents三维多孔骨支架内部微流体流场对细胞行为影响研究组织工程三维多孔骨支架优化设计与应用前景

引言01

组织工程是生物医学工程领域的重要分支，旨在通过模拟人体细胞外基质的结构和功能，构建生物相容性良好的三维多孔骨支架，为骨缺损修复提供新的解决方案。三维多孔骨支架作为组织工程的核心，其内部微流体流场对细胞生长、分化和组织再生具有重要影响。因此，深入研究三维多孔骨支架内部微流体流场特性，对于优化支架设计、提高骨缺损修复效果具有重要意义。研究背景与意义

国内外学者在三维多孔骨支架内部微流体流场研究方面已取得一定进展，如采用计算流体力学方法对支架内部流场进行数值模拟，揭示流场分布规律及其对细胞行为的影响。然而，目前研究仍存在诸多挑战，如缺乏真实反映支架内部复杂结构的精细化模型、缺乏考虑细胞-流场相互作用的综合研究等。未来发展趋势将更加注重多学科交叉融合，结合先进的实验技术和数值模拟方法，深入揭示三维多孔骨支架内部微流体流场的复杂行为及其对组织再生的影响机制。国内外研究现状及发展趋势

本研究旨在通过综合运用计算流体力学、生物医学工程等多学科知识，建立精细化的三维多孔骨支架内部微流体流场模型，揭示流场特性及其对细胞行为和组织再生的影响机制。具体研究内容包括：构建真实反映支架内部复杂结构的精细化模型；采用计算流体力学方法对支架内部流场进行数值模拟；结合细胞实验和动物实验验证数值模拟结果的可靠性；探讨不同流场参数对细胞行为和组织再生的影响规律；提出优化三维多孔骨支架设计的策略和方法。研究目的和内容

三维多孔骨支架内部微流体流场理论基础02

微尺度效应在微米或纳米尺度下，流体的物理性质和行为与宏观尺度下显著不同，需要考虑表面张力、黏性力和惯性力的相对重要性。Navier-Stokes方程描述流体运动的基本方程，在微流体动力学中需要对其进行适当的修正，以考虑微尺度效应。流动边界条件微流体流动受到固体壁面的限制，需要考虑壁面滑移、润湿性等边界条件对流动的影响。微流体动力学基本理论

多孔介质由固体骨架和相互连通的孔隙组成，其结构特点对流体流动和传质过程有显著影响。多孔介质结构Darcy定律非Darcy流动描述多孔介质中流体流动的基本定律，建立了渗透速度与压力梯度之间的关系。在高流速或复杂多孔介质中，Darcy定律可能不再适用，需要考虑非线性流动效应。030201多孔介质内部流体流动特性

骨组织是一种具有复杂力学性质的生物材料，其力学行为受到微观结构和组成成分的影响。骨组织力学性质在骨组织工程中，需要了解应力与应变之间的关系，以评估骨支架在生理环境下的力学性能。应力与应变关系适当的力学刺激可以促进骨再生和修复过程，因此骨支架的设计需要考虑提供合适的力学环境。骨再生与力学刺激骨组织工程中的生物力学原理

三维多孔骨支架内部微流体流场实验方法03

材料三维多孔骨支架（通常由生物相容性良好的材料如聚乳酸、聚己内酯等制成）、模拟体液（用于模拟人体内部环境）。设备微流体泵（用于驱动模拟体液流动）、显微镜（用于观察流场情况）、高速摄像机（用于记录流场动态变化）、图像处理软件（用于分析流场数据）。实验材料与设备

选择适当大小和形状的三维多孔骨支架，进行必要的预处理，如清洗、烘干等。骨支架准备将骨支架放置在实验装置中，连接微流体泵和模拟体液，确保流体能够顺畅地流过骨支架内部。实验装置搭建启动微流体泵，使模拟体液在骨支架内部流动。使用显微镜和高速摄像机观察并记录流场情况，包括流速、流向、涡旋等。流场观察与记录使用图像处理软件对观察到的流场图像进行分析处理，提取流场特征参数，如流速分布、涡旋大小等。数据采集与处理实验设计与操作过程

数据采集与处理在实验过程中，使用数据采集系统实时记录模拟体液的流动情况，包括流速、压力等参数。同时，利用高速摄像机捕捉流场的动态变化。数据采集对采集到的数据进行整理和分析。首先，对流速、压力等参数进行统计分析，了解其在不同时间和空间上的变化情况。其次，利用图像处理技术对高速摄像机捕捉到的流场图像进行处理，提取流场的特征信息，如涡旋、流速分布等。最后，结合数值模拟方法，对实验数据进行验证和补充，以获得更全面、准确的流场信息。数据处理

三维多孔骨支架内部微流体流场数值模拟04

基于计算流体动力学（CFD）方法建立三维多孔骨支架内部微流体流场的数值模型。选用适当的湍流模型（如k-ε模型、k-ω模型等）以描述微流体在复杂多孔结构中的流动行为。采用有限体积法（FVM）对模型进行离散化处理，将连续的物理场转化为离散的数值场。利用数值求解器（如F