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1 前言
组织工程支架在组织工程中起关键作用，它不仅为特定的细胞提供结构支撑作用，而且还引导组织再生和控制组织结构起到摸板作用。支架的生物相容性、可降解性、机械性能、加工性能、控制释放体系以及孔隙率和孔径直接影响组织工程细胞的附着、增殖、生物功能等，决定组织培养的成败。因此，近年来国内外学者对组织工程支架的材料、加工方法等方面的研究越来越多。
理想的支架除了整体轮廓应与原组织或器官相同外，其内部结构还应该是多孔的。并且是孔间相连的网络结构。多孔网络结构具苟足够的比表面积，一方面有利于提高细胞接种的密度；另一方面也有利于所需营养成分的供给和代谢废物的排放，并且能够促使接种细胞通过骨架孔隙向周围组织扩散，便于组织中的血管和神经生成。孔隙率是影响组织工程支架功能的-个关键参数，孔隙率过低会影响细胞的生长增殖以及组织和血管的形成，孔隙率过高会影响骨架的力学性能。笔者认为采用激光在组织工程支架侧面加工出孔网结构，可以有效的改善组织工程支架内部营养液的流动，进而改善组织工程支架内细胞生长的微环境。
体内组织均在特定的力学环境下生长、发育、再生和重塑，细胞在体外培养条件下，流体切应力对细胞的形态、增殖、粘附和生长因子等均有影响。组织工程支架内部营养液流动产生的流体切应力究竟有多大，利用激光侧面打孔对组织工程支架内部切应力能产生多大的影响也是我们关心的问题。
本文采用Fluent软件对激光侧面打孔的不同孔隙率的组织工程支架内流场进行模拟，研究支架内流体的速度分布等影响支架性能的主要参数，验证利用激光侧面打孔能否有效的改善组织工程支架的性能。
2基本结构、计算模型及网格划分
程支架为原型，研究其内部营养液流动情况。图1是采用FDM方法加工出来的不同孔径、不同孔瞟率、不同几何形状的三维组织工程支架。本文将组织工程支架简化为多孔介质模型，利用fluent软件对激光加工的不同孔隐率的支架内部流场进行模拟。假设支架是用直径为0.1mm的生物材料加工制成的直径为15mm、高为1.4mm的圆柱形支架，侧面采用激光加工出直径为0.2mm，间距为0.4mm，层距为0.4mm的相互正变的孔网。假设支架内部结构均匀、并且各向同性，具体模型见图2。为减少计算量、简化模拟，计算时仅对支架中部的支架进行模拟。用gambit对模型进行网格划分，整个支架共25852个节点，网格采用四面体和六面体混合的非结构网格技术。
图1 不同孔径、孔隙率、结构的组织工程支架
图2 激光加工孔网结构的组织工程支架模型
3 边界条件
采用控制容积方法离散控制方程，应用SIMPLE算法进行求解。营养液的密度设为1000速度入口，速度值根据进口流量计算得到，出口边界为压力出口，出口表压为0。操作压力为1个大气压。壁面为无滑移边界，重力和传热均忽略不计。计算支架孔隙率分别为50%、60%、70%和80%时，支架内部营养液流动情况。
4 计算结果及分析
分别对孔隙率为50%、60%、70%和80%的组织工程支架内部营养被流动情况进行了模拟，Z轴方向0.5mm和1.1mm处的截面上的速度如图3所示。从图中可以看出在不同的孔隙率的支架中利用激光在支架侧面如工出的孔均能改善支架内部的营养液的供给，有利于新陈代谢废物的排出。并且孔内营养液的流速增大，相应的孔壁上的种植的细胞所受的流体切应力也会增大，这样可以改善种植细胞的形态、促进其功能。但是，在激光加工的孔径相同时，对于不同的孔隙率和不同流量条件下，营养液的速度相对变化是有差别的。在流量相同的条件下，当孔除率比较小的时，孔网结构对营养液的流动影响比较明显，速度的值已经不在一个数量级上；而孔隙率较大时，虽然速度有变化，但变化不太明显，速度的值在同一个数量级上。在孔融率相同的条件下，流量大时，孔网结构对营养液的流动影响较为明显。但是，组织工程支架侧面用激光加工出孔网结构，是否对支架尤其是大孔隙率支架的力学性能产生不利影响尚持进一步研究。
图3 不同孔隙率、不同流量条件下组织工程支架内部速度截面图
流体切应力对组织工程细胞培养影响较大，本文仅对激光加工的孔同结构对切应力进行了定性分析。文献[6]中提到-科间接计算微观多孔介质内流体切应力的方法，其模型如下：
其中为平均切应力，μ为流体动力粘度，K为材料的渗透率，"为流体平均流速。激光加工的孔网结构对组织工程支架内流体切应力的影响有待进一步研究。
5 结论
(1)在组织工程支架侧面利用激光加工出孔网能有敢改善支架内部营养液的流动，有利于组织工程细胞的生长。
(2)在小孔隙率和较大流量条件下，激光加工出的孔阿结构对营养液流动改善较大孔隙率和小流量条件下的要明显。考虑组织工程支架力学要求，小孔隙率的组织工程支架适合用撒光加工孔网结构。而大孔酿率的组织工程支架加工孔网结构对营养液流动影响不大，且力学性能能否满足实际需要仍需进一步研究。
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