Bamboo-Inspired Porous Scaffolds for Advanced Orthopedic Implants: Design, Mechanical Properties, and Fluid Characteristics

材料科学 多孔性 复合材料 弹性模量 磁导率 模数 生物医学工程 脚手架 应力屏蔽 植入 化学 生物化学 医学 外科
作者
Hao Chen,Yang Liu,Yue Lu,Aobo Zhang,Wenbo Yang,Qing Han,Jincheng Wang
出处
期刊:ACS Biomaterials Science & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:10 (2): 1173-1189 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsbiomaterials.3c01690
摘要

In orthopedic implant development, incorporating a porous structure into implants can reduce the elastic modulus to prevent stress shielding but may compromise yield strength, risking prosthesis fracture. Bamboo's natural structure, with its exceptional strength-to-weight ratio, serves as inspiration. This study explores biomimicry using bamboo-inspired porous scaffolds (BISs) resembling cortical bone, assessing their mechanical properties and fluid characteristics. The BIS consists of two 2D units controlled by structural parameters α and β. The mechanical properties, failure mechanisms, energy absorption, and predictive performance are investigated. BIS exhibits mechanical properties equivalent to those of natural bone. Specifically, α at 4/3 and β at 2/3 yield superior mechanical properties, and the destruction mechanism occurs layer by layer. Besides, the Gibson–Ashby models with different parameters are established to predict mechanical properties. Fluid dynamics analysis reveals two high-flow channels in BISs, enhancing nutrient delivery through high-flow channels and promoting cell adhesion and proliferation in low-flow regions. For wall shear stress below 30 mPa (ideal for cell growth), α at 4/3 achieves the highest percentage (99.04%), and β at 2/3 achieves 98.46%. Permeability in all structural parameters surpasses that of human bone. Enhanced performance of orthopedic implants through a bionic approach that enables the creation of pore structures suitable for implants.
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