Design of novel graded bone scaffolds based on triply periodic minimal surfaces with multi-functional pores

脚手架 材料科学 生物医学工程 有限元法 应力屏蔽 电磁屏蔽 复合材料 结构工程 工程类 医学 外科 植入
作者
Rongwu Lai,Jian Jiang,Yi Huo,Hao Wang,Sergei Bosiakov,Yongtao Lyu,Lei Li
出处
期刊:Frontiers in Bioengineering and Biotechnology [Frontiers Media]
卷期号:13 被引量:1
标识
DOI:10.3389/fbioe.2025.1503582
摘要

Background Various mechanical and biological requirements on bone scaffolds were proposed due to the clinical demands of human bone implants, which remains a challenge when designing appropriate bone scaffolds. Methods In this study, novel bone scaffolds were developed by introducing graded multi-functional pores onto Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) structures through topology optimization of unit cell. The performance of these scaffolds was evaluated using finite element (FE) analysis and computational fluid dynamics (CFD) method. Results The results from FE analysis indicated that the novel scaffold exhibited a lower elastic modulus, potentially mitigating the issue of stress shielding. Additionally, the results from CFD demonstrated that the mass transport capacity of the novel scaffold was significantly improved compared to conventional TPMS scaffolds. Conclusion In summary, the novel TPMS scaffolds with graded multi-functional pores presented in this paper exhibited enhanced mechanical properties and mass transport capacity, making them ideal candidates for bone repair. A new design framework was provided for the development of high-performance bone scaffolds.
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