Проектирование и верификация механических свойств градиентного каркаса Вороного для тканевой инженерии костной ткани

Для получения каркасов, способных обеспечить требуемый терапевтический эффект, исследователи изучают нерегулярные пористые структуры. Однако существующие методы проектирования имеют ограничения в отношении точного управления кажущимся модулем упругости таких структур. Естественная костная ткань обладает градиентной пористой структурой, однако механическим преимуществам градиентных биомиметических костных каркасов посвящено немного исследований. В данной работе предложен усовершенствованный метод, основанный на триангуляции Вороного. Этот метод позволяет получать управляемые градиентные каркасы, соответствующие модулю упругости естественной костной ткани, и точно контролировать кажущийся модуль упругости пористой структуры, что способствует снижению эффекта экранирования напряжений. Для проверки возможности изготовления разработанных структур методом аддитивного производства несколько моделей были изготовлены с использованием селективного лазерного плавления (SLM) и электронно-лучевого плавления (EBM). С помощью анализа методом конечных элементов (МКЭ) было показано, что нерегулярная пористая структура, основанная на триангуляции Вороного, является более устойчивой, чем традиционная регулярная пористая структура при одинаковых объёме структуры, количестве пор и материале. Кроме того, установлено, что градиентная нерегулярная структура обладает большей устойчивостью, чем соответствующая неградиентная структура. Эксперимент подтвердил характеристики устойчивости, полученные с помощью МКЭ. Дополнительно был выполнен динамический анализ методом конечных элементов для моделирования сопротивления удару. Результаты показали, что сопротивление удару последовательно повышается при переходе от регулярной пористой структуры к нерегулярной, а затем к градиентной нерегулярной пористой структуре. Верификация механических свойств создаёт теоретическую основу для проектирования градиентных нерегулярных пористых каркасов для тканевой инженерии костной ткани.