2024年3月24日发(作者：牧高轩)
肝组织工程支架的仿生设计与有限元分析
赵倩;刘亚雄;高琨;贺健康;连芩;李涤尘;靳忠民
【摘 要】For three-dimensional cell spreading, a tube type scaffolds
constructed by porous rolling plane is designed, and cells seeded on the
surface are bent as a spiral. The channels in the scaffold promote culture
medium permeating and material interchange. A bionic structure designed
for this kind of scaffold is beneficial to measure the shape of liver vessels
from liver vascular casting and extract the bionics parameters by statistic
analysis, which has different hierarchies as a tree to imitate the functions of
artery and vein. The micro-pores of the scaffold material also imitated
capillary. With the changed parameters, finite-element models are
established to compare the flow field distribution of different channel
shapes on scaffolds. The results verify the most uniform flow field and the
highest nutrition transfer efficiency, which enlarges the effective area of
medium spread in scaffold, and provides better micro-environment for
cells survival, multiplication and migrate.%为了解决细胞在细胞支架复合培养
中难以植入的问题,提出了一种卷裹型支架.将平面多孔支架采用卷裹的方式成型,使
细胞在整个支架内部形成螺旋状三维分布,支架表面的管道结构可使培养液在支架
内部渗透,从而提高物质交换效率.提出了一种具有仿生参数的流道设计方案,从肝脏
血管铸型中提取血管的形状数据,作为仿生学依据进行流道设计,具体为树状多层分
支结构.用此流道结构仿生了动脉、静脉的血液循环功能,并利用多孔材料仿生了毛
细血管的渗透功能.建立了不同形状参数的流场分析模型,进行流体与多孔材料的渗
流分析.结果表明,仿生设计方案的流场分布最为均匀,且平均流速较高,间接表明营养
物质的输送效率最高.该支架能够使细胞呈三维分布,并扩大培养液在支架内的有效
分布范围,更好地维持细胞的存活、增殖和迁移,为向组织化方向发展奠定了一定的
基础.
【期刊名称】《西安交通大学学报》
【年(卷),期】2011(045)008
【总页数】5页(P108-112)
【关键词】仿生设计;有限元分析;肝组织工程;细胞培养支架
【作 者】赵倩;刘亚雄;高琨;贺健康;连芩;李涤尘;靳忠民
【作者单位】西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安
交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造
系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点
实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西
安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机
械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安
【正文语种】中 文
【中图分类】Q811.2
肝移植手术是目前治疗肝病重症患者的重要手段,但却一直受供体匮乏的制约[1].组
织工程的目的就是将细胞人为地培养出具有一定器官功能的组织,从而替代原组织
的功能[2].细胞培养支架为细胞提供依附生长的载体,它的结构和材料直接决定了细
胞的存活和生长情况[3-4],是组织工程中的关键环节之一.
目前,国内外均有关于建立类血管网络流道的研究工作[5-6].肝脏作为人体内重要的
解毒器官,具有丰富且复杂的血液循环系统[7],较其他软组织器官来说需要更为丰富
的血流供应[8],因此针对肝细胞培养的支架管路设计尤为重要.
目前应用于细胞培养的支架常为多孔结构[9-11].经过细胞培养实验,证实了微孔结
构能为肝细胞提供更大的三维生长空间,并且利于其团聚生长和功能表达[12].支架
结构直接影响氧气和营养物质的分布情况[13].单一的多孔结构只能通过渗透作用
在小尺度范围内保证细胞与流体的物质交换,难以充分渗透进支架内部,这就限制了
细胞支架的宏观尺寸[14-15].如果支架内部具有供培养液和氧气传输的宏观管路,就
能够显著地扩大三维支架的细胞培养范围[11,16-17],尤其在动态培养环境中,不同
形状的管路对细胞的影响更加明显[16].
本文提取了肝脏血管的形态学数据,统计出主要的特征尺寸参数,设计了一种树形分
支流道结构.该结构以阵列方式分布在矩形平面支架上,再通过卷裹的方式形成流道
在支架内部的三维分布.通过改变流道形状参数,建立了一系列有限元分析模型,流体
分布结果证实具有仿生特征的结构比无仿生参数的结构能够为细胞提供更有利的培
养环境.这种新型支架为细胞培养提供了良好的组织化、功能化载体,为进一步的细
胞培养实验打下了基础.
1 材料与设备
实验材料有:成年远交群大鼠40只,体重为250 g左右,购于军医进修学院动物实验
中心;聚丙烯腈-丁二烯-苯乙树脂(ABS树脂),购于红狮涂料有限公司制漆厂;丙酮,购
于北京化学试剂公司;油画颜料.
使用的设备为数码相机(Sony DSC-F717)和光学显微镜(KEYENCE VH-Z450).
2 流道结构的仿生设计
2.1 自然肝脏血管铸型制备
将ABS塑料颗粒25 g加入100 mL丙酮中,经过24 h充分溶解后,加入油画颜料
充分搅拌均匀,灌注前5 min加入5 mL邻苯二甲酸二甲酯[18].大鼠经戊巴比妥麻
醉(45 g/kg体重),行剖腹术,充分显露门静脉主干,插管、结扎固定,自门静脉注入肝
素150 U,使全身肝素化.自门静脉注入肝素盐水(1.5 U/mL),冲洗肝脏血管,同时剪
开下腔静脉远端放血,直到经过1 min左右肝脏变灰白为止.自下腔静脉远端插管至
近肝静脉处,结扎固定.自腹主动脉插管至近肝动脉处,结扎固定.剪开膈肌,结扎下腔
静脉肝上端、胸主动脉,防止填充剂进入膈上大血管内,以保持进入肝脏的压力.冲洗
完毕后立即先从门静脉注入配置好的ABS填充剂,灌注压力为300～800 Pa.隔2 h
后再补灌,共补灌2～3次,补灌压力为500～800 Pa,置室内过夜.2 d后,将肝脏切下,
置于25%盐酸溶液中腐蚀.7 d后,将标本用流水缓慢冲洗,除去细胞及结缔组织,然
后用肥皂水浸泡1 d,即可得到大鼠肝脏血管铸型.
2.2 血管形态测量方法
光学显微镜放大倍率为25～300,显示屏分辨率为1 620×1 220像素.显微镜自带
操作系统以及图像处理软件,可完成长度、角度等几何尺寸的测量.由于支架是空间
分布的,在平面照片中的夹角测量结果难免与实际值有误差,因此只挑选夹角平面与
观察面平行的夹角进行测量.
其测量方法如下:从每一个血管树的根部即最高级开始测量其直径和该级血管与下
一级的夹角;再将根部上的子枝分别剪下来,记为第2级,从该级的根部开始测量以上
的几何参数;如此类推,测至第3级.
测量结果通过SPSS软件进行统计分析,具体参数如表1所示.
表1 血管测量参数级数 1 2 3角度 a1a2a3直径 d1d2d3
2.3 流道设计
运用CAD软件(Pro/Engineer,PTC,USA)进行支架流道结构的仿生设计.自然血管
呈三维网状交织分布,模具制造困难,且灌注后难以脱模,因此应在制造工艺可行的基
础上进行设计.本研究将所有流道设计在一个矩形平面支架表面,欲通过卷裹方式形
成流道在整个圆柱体支架内的三维分布.
血液在体内是通过动脉血管流入毛细血管,再汇聚入静脉流出的.设计的流道也包括
入流道和出流道,分别仿生主动脉和静脉.入流道从上端向下呈逐级展开的树状分支
结构,出流道则是入流道的相反形式.流道的每一级夹角和长度均参考实际的统计数
据,各级流道的直径则按照相邻级间的直径之比确定.
3 有限元渗流分析
3.1 建立有限元分析模型
为了对比仿生流道和未采用仿生参数的流道的流场分布,共建立了4种有限元分析
模型,包括只有主流道无分支流道,以及另外3种树形分支模型(仅改变分支夹角参
数),分支夹角为90°,仿生结构夹角为 77.72°和 45°.
由于整个支架的流道结构是相似形的横向阵列(见图3),这里仅提取一个特征阵列单
元建立流体分析模型.提取设计的结构面(包括流道面和多孔材料支架面),在有限元
分析软件(ADINA,ADINA R&D,Inc.)中进一步分析.
3.2 分析参数设置
在导入的平面模型中,流道材料属性按照细胞培养液(DMEM)在37℃的特征参数设
置(黏度系数η=1.45×10-3 Pa◦s,密度 ρ=1 000 kg/m3).ADINA材料库中自带的
多孔材料模型具有流体和固体的双重属性,假设为固体属性时具有刚性结构,多孔结
构和形状随机分布特性.固体属性设置孔隙率为80%,孔径为 100μm,密度为 300
g/mm3,液体属性设置与流道材料相同.从整个上边界竖直向下加载1 mm/s的流
速,左右设置为可滑移的边界,整条下边界的出口压力为一个大气压.计算时考虑重力
加速度(g=9.8 m/s2)的影响,有限元网格均设置为4节点网格.
4 结 果
4.1 自然肝血管铸型形状测量结果
得到的大鼠肝门静脉血管铸型在光镜下各级血管的测量照片如图1所示.血管在照
片中清晰可见,长度和角度等参数在照片中直接量取.
图1 小鼠肝门静脉血管树灌注模型
由于不同大鼠的体型差异,血管的直径也不同,第1级和第2级、第2级和第3级之
间的直径比集中分布在1.41～1.7之间,不同级间的血管夹角相差不大,平均值分布
在75°～85°之间(见表2).统计全部的血管夹角数据,发现其呈均值为(77.72±9.09°)
的正态分布.
表2 血管形态测量结果a1/(°) 76±6.07a2/(°) 78±10.45a3/(°)
83.62±3.98d1/mm 2.12±0.58d2/mm 1.43±0.37d3/mm 0.88±0.21
4.2 流道设计结果
流道具体设计结果如图2所示.流道呈树状分支结构(见图2a),培养液从上向下流动
(见图2b).第1级主流道宽为 1 mm,第2级流道宽为 0.71 mm,第3级流道宽为
0.5 mm.这时流道直径的级间比均为1.41,管道深度均为0.5 mm,分支夹角均为
77.72°.
图2 卷裹型支架的仿生设计方案
4.3 CFD分析模型与结果
针对不同结构建立的4种模型以及网格划分结果,如图3所示.分析得到的剪切应力
分布情况如图4所示,其中图 4a、图4b、图4d结构的剪切应力在流道边缘显著大
于支架材料内部,而图4c结构最为均匀,没有明显的应力集中现象.
图5为支架内流速场分布情况.图5a没有流道分支,培养液全部通过主流道流走,大
面积的多孔材料区域几乎没有流速;图5b结构中培养液主要沿着流道流动,多孔内
部仍存在许多流速很低的区域;图5c结构中整个流道和支架中的流速分布最均匀;
图5d结构流道夹角最小,流道与多孔材料之间的流速差较大,流场分布不均.
图3 流体分析模型
图4 剪切应力场分布
图5 流速场分布
图6 多孔材料内部流速统计结果
将多孔支架材料区域内部的流速数据提出,进行统计学分析,得到平均流速和误差,见
图6.可见,无分支结构的流速最低,而其他结构的平均流速相差不大,进一步说明无分
支结构的内部培养液不能充分流通.另外,仿生参数结构的培养液流速误差最小,说明
培养液在该结构中的各个位置流速最相近.
5 讨 论
支架内部的流道能够为细胞提供更多的营养物质并且及时运走代谢产物,对支架的
生物性能有关键影响[11-13].由于肝脏总血液流量的3/4通过门静脉流入,因此对
门静脉的形状参数进行研究.血管铸型是一种成熟的血管形状重构方法,能够准确将
血管形态转化为便于保存的实体模型[19].但是,受到灌注材料本身流动性的影响,该
方法只能重构尺寸较大的血管[20].经过对多只大鼠的统计分析发现,虽然体型不同
各铸型的尺寸不同,却符合级间比1.41～1.7、分支夹角呈正态分布的规律,因此选
择级间比1.41、所有夹角呈77.72°这两个参数作为设计依据.
有限元分析结果对比了不同结构对流场分布的影响.剪切应力场代表培养液对细胞
的冲刷力,流速场代表培养液的输送量[11,21].场分布均匀,说明细胞在支架各个位置
上的培养条件更加一致.在同样面积内,具有树状分支结构的流道比无分支结构的面
积大,材料部分的流速更高,养分输送的效率更高.在不同角度的分支结构中,具有仿生
角度结构的流场分布最为均匀,在灌流培养环境中,可以通过调节流速、氧分压等培
养参数,将整个支架内的培养环境调整到利于细胞生长的范围内.综合考虑营养的流
通效率和整个流场分布的均匀情况,各级流道夹角成仿生参数时的结果最为理想.
6 结 论
本文提出一种具有仿生流道的卷裹型肝细胞组织工程支架,可解决细胞在细胞-支架
复合培养中难以植入的问题,并使细胞成三维分布.对血管网络铸型进行显微测量,提
取形状特征参数进行统计分析.设计的支架具有树状多级分支结构流道,仿生了动脉、
毛细血管、静脉的血管微循环系统,其级间直径比和分支夹角符合血管统计结果.建
立了不同流道结构的对比模型进行CFD分析,发现仿生结构能够为整个支架提供最
为均匀的培养液流通环境.该流道在矩形平面内分布,通过阵列方式形成一系列功能
类似的结构,可应用卷裹方式形成流道的三维分布.制造中可采用在负型模具中灌注
后冻干的方法,得到具有该仿生流道的多孔支架,经过润湿后卷裹形成圆柱形的三维
支架,适用于动态灌流培养系统.下一步需进行体外动态培养和体内植入实验,从而实
际评价其细胞培养能力,还可尝试多层卷裹方式,应用于多种细胞复合培养研究.
参考文献:
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2024年3月24日发(作者：牧高轩)
肝组织工程支架的仿生设计与有限元分析
赵倩;刘亚雄;高琨;贺健康;连芩;李涤尘;靳忠民
【摘 要】For three-dimensional cell spreading, a tube type scaffolds
constructed by porous rolling plane is designed, and cells seeded on the
surface are bent as a spiral. The channels in the scaffold promote culture
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for this kind of scaffold is beneficial to measure the shape of liver vessels
from liver vascular casting and extract the bionics parameters by statistic
analysis, which has different hierarchies as a tree to imitate the functions of
artery and vein. The micro-pores of the scaffold material also imitated
capillary. With the changed parameters, finite-element models are
established to compare the flow field distribution of different channel
shapes on scaffolds. The results verify the most uniform flow field and the
highest nutrition transfer efficiency, which enlarges the effective area of
medium spread in scaffold, and provides better micro-environment for
cells survival, multiplication and migrate.%为了解决细胞在细胞支架复合培养
中难以植入的问题,提出了一种卷裹型支架.将平面多孔支架采用卷裹的方式成型,使
细胞在整个支架内部形成螺旋状三维分布,支架表面的管道结构可使培养液在支架
内部渗透,从而提高物质交换效率.提出了一种具有仿生参数的流道设计方案,从肝脏
血管铸型中提取血管的形状数据,作为仿生学依据进行流道设计,具体为树状多层分
支结构.用此流道结构仿生了动脉、静脉的血液循环功能,并利用多孔材料仿生了毛
细血管的渗透功能.建立了不同形状参数的流场分析模型,进行流体与多孔材料的渗
流分析.结果表明,仿生设计方案的流场分布最为均匀,且平均流速较高,间接表明营养
物质的输送效率最高.该支架能够使细胞呈三维分布,并扩大培养液在支架内的有效
分布范围,更好地维持细胞的存活、增殖和迁移,为向组织化方向发展奠定了一定的
基础.
【期刊名称】《西安交通大学学报》
【年(卷),期】2011(045)008
【总页数】5页(P108-112)
【关键词】仿生设计;有限元分析;肝组织工程;细胞培养支架
【作 者】赵倩;刘亚雄;高琨;贺健康;连芩;李涤尘;靳忠民
【作者单位】西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安
交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造
系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点
实验室,710049,西安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西
安;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安;西安交通大学机
械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安
【正文语种】中 文
【中图分类】Q811.2
肝移植手术是目前治疗肝病重症患者的重要手段,但却一直受供体匮乏的制约[1].组
织工程的目的就是将细胞人为地培养出具有一定器官功能的组织,从而替代原组织
的功能[2].细胞培养支架为细胞提供依附生长的载体,它的结构和材料直接决定了细
胞的存活和生长情况[3-4],是组织工程中的关键环节之一.
目前,国内外均有关于建立类血管网络流道的研究工作[5-6].肝脏作为人体内重要的
解毒器官,具有丰富且复杂的血液循环系统[7],较其他软组织器官来说需要更为丰富
的血流供应[8],因此针对肝细胞培养的支架管路设计尤为重要.
目前应用于细胞培养的支架常为多孔结构[9-11].经过细胞培养实验,证实了微孔结
构能为肝细胞提供更大的三维生长空间,并且利于其团聚生长和功能表达[12].支架
结构直接影响氧气和营养物质的分布情况[13].单一的多孔结构只能通过渗透作用
在小尺度范围内保证细胞与流体的物质交换,难以充分渗透进支架内部,这就限制了
细胞支架的宏观尺寸[14-15].如果支架内部具有供培养液和氧气传输的宏观管路,就
能够显著地扩大三维支架的细胞培养范围[11,16-17],尤其在动态培养环境中,不同
形状的管路对细胞的影响更加明显[16].
本文提取了肝脏血管的形态学数据,统计出主要的特征尺寸参数,设计了一种树形分
支流道结构.该结构以阵列方式分布在矩形平面支架上,再通过卷裹的方式形成流道
在支架内部的三维分布.通过改变流道形状参数,建立了一系列有限元分析模型,流体
分布结果证实具有仿生特征的结构比无仿生参数的结构能够为细胞提供更有利的培
养环境.这种新型支架为细胞培养提供了良好的组织化、功能化载体,为进一步的细
胞培养实验打下了基础.
1 材料与设备
实验材料有:成年远交群大鼠40只,体重为250 g左右,购于军医进修学院动物实验
中心;聚丙烯腈-丁二烯-苯乙树脂(ABS树脂),购于红狮涂料有限公司制漆厂;丙酮,购
于北京化学试剂公司;油画颜料.
使用的设备为数码相机(Sony DSC-F717)和光学显微镜(KEYENCE VH-Z450).
2 流道结构的仿生设计
2.1 自然肝脏血管铸型制备
将ABS塑料颗粒25 g加入100 mL丙酮中,经过24 h充分溶解后,加入油画颜料
充分搅拌均匀,灌注前5 min加入5 mL邻苯二甲酸二甲酯[18].大鼠经戊巴比妥麻
醉(45 g/kg体重),行剖腹术,充分显露门静脉主干,插管、结扎固定,自门静脉注入肝
素150 U,使全身肝素化.自门静脉注入肝素盐水(1.5 U/mL),冲洗肝脏血管,同时剪
开下腔静脉远端放血,直到经过1 min左右肝脏变灰白为止.自下腔静脉远端插管至
近肝静脉处,结扎固定.自腹主动脉插管至近肝动脉处,结扎固定.剪开膈肌,结扎下腔
静脉肝上端、胸主动脉,防止填充剂进入膈上大血管内,以保持进入肝脏的压力.冲洗
完毕后立即先从门静脉注入配置好的ABS填充剂,灌注压力为300～800 Pa.隔2 h
后再补灌,共补灌2～3次,补灌压力为500～800 Pa,置室内过夜.2 d后,将肝脏切下,
置于25%盐酸溶液中腐蚀.7 d后,将标本用流水缓慢冲洗,除去细胞及结缔组织,然
后用肥皂水浸泡1 d,即可得到大鼠肝脏血管铸型.
2.2 血管形态测量方法
光学显微镜放大倍率为25～300,显示屏分辨率为1 620×1 220像素.显微镜自带
操作系统以及图像处理软件,可完成长度、角度等几何尺寸的测量.由于支架是空间
分布的,在平面照片中的夹角测量结果难免与实际值有误差,因此只挑选夹角平面与
观察面平行的夹角进行测量.
其测量方法如下:从每一个血管树的根部即最高级开始测量其直径和该级血管与下
一级的夹角;再将根部上的子枝分别剪下来,记为第2级,从该级的根部开始测量以上
的几何参数;如此类推,测至第3级.
测量结果通过SPSS软件进行统计分析,具体参数如表1所示.
表1 血管测量参数级数 1 2 3角度 a1a2a3直径 d1d2d3
2.3 流道设计
运用CAD软件(Pro/Engineer,PTC,USA)进行支架流道结构的仿生设计.自然血管
呈三维网状交织分布,模具制造困难,且灌注后难以脱模,因此应在制造工艺可行的基
础上进行设计.本研究将所有流道设计在一个矩形平面支架表面,欲通过卷裹方式形
成流道在整个圆柱体支架内的三维分布.
血液在体内是通过动脉血管流入毛细血管,再汇聚入静脉流出的.设计的流道也包括
入流道和出流道,分别仿生主动脉和静脉.入流道从上端向下呈逐级展开的树状分支
结构,出流道则是入流道的相反形式.流道的每一级夹角和长度均参考实际的统计数
据,各级流道的直径则按照相邻级间的直径之比确定.
3 有限元渗流分析
3.1 建立有限元分析模型
为了对比仿生流道和未采用仿生参数的流道的流场分布,共建立了4种有限元分析
模型,包括只有主流道无分支流道,以及另外3种树形分支模型(仅改变分支夹角参
数),分支夹角为90°,仿生结构夹角为 77.72°和 45°.
由于整个支架的流道结构是相似形的横向阵列(见图3),这里仅提取一个特征阵列单
元建立流体分析模型.提取设计的结构面(包括流道面和多孔材料支架面),在有限元
分析软件(ADINA,ADINA R&D,Inc.)中进一步分析.
3.2 分析参数设置
在导入的平面模型中,流道材料属性按照细胞培养液(DMEM)在37℃的特征参数设
置(黏度系数η=1.45×10-3 Pa◦s,密度 ρ=1 000 kg/m3).ADINA材料库中自带的
多孔材料模型具有流体和固体的双重属性,假设为固体属性时具有刚性结构,多孔结
构和形状随机分布特性.固体属性设置孔隙率为80%,孔径为 100μm,密度为 300
g/mm3,液体属性设置与流道材料相同.从整个上边界竖直向下加载1 mm/s的流
速,左右设置为可滑移的边界,整条下边界的出口压力为一个大气压.计算时考虑重力
加速度(g=9.8 m/s2)的影响,有限元网格均设置为4节点网格.
4 结 果
4.1 自然肝血管铸型形状测量结果
得到的大鼠肝门静脉血管铸型在光镜下各级血管的测量照片如图1所示.血管在照
片中清晰可见,长度和角度等参数在照片中直接量取.
图1 小鼠肝门静脉血管树灌注模型
由于不同大鼠的体型差异,血管的直径也不同,第1级和第2级、第2级和第3级之
间的直径比集中分布在1.41～1.7之间,不同级间的血管夹角相差不大,平均值分布
在75°～85°之间(见表2).统计全部的血管夹角数据,发现其呈均值为(77.72±9.09°)
的正态分布.
表2 血管形态测量结果a1/(°) 76±6.07a2/(°) 78±10.45a3/(°)
83.62±3.98d1/mm 2.12±0.58d2/mm 1.43±0.37d3/mm 0.88±0.21
4.2 流道设计结果
流道具体设计结果如图2所示.流道呈树状分支结构(见图2a),培养液从上向下流动
(见图2b).第1级主流道宽为 1 mm,第2级流道宽为 0.71 mm,第3级流道宽为
0.5 mm.这时流道直径的级间比均为1.41,管道深度均为0.5 mm,分支夹角均为
77.72°.
图2 卷裹型支架的仿生设计方案
4.3 CFD分析模型与结果
针对不同结构建立的4种模型以及网格划分结果,如图3所示.分析得到的剪切应力
分布情况如图4所示,其中图 4a、图4b、图4d结构的剪切应力在流道边缘显著大
于支架材料内部,而图4c结构最为均匀,没有明显的应力集中现象.
图5为支架内流速场分布情况.图5a没有流道分支,培养液全部通过主流道流走,大
面积的多孔材料区域几乎没有流速;图5b结构中培养液主要沿着流道流动,多孔内
部仍存在许多流速很低的区域;图5c结构中整个流道和支架中的流速分布最均匀;
图5d结构流道夹角最小,流道与多孔材料之间的流速差较大,流场分布不均.
图3 流体分析模型
图4 剪切应力场分布
图5 流速场分布
图6 多孔材料内部流速统计结果
将多孔支架材料区域内部的流速数据提出,进行统计学分析,得到平均流速和误差,见
图6.可见,无分支结构的流速最低,而其他结构的平均流速相差不大,进一步说明无分
支结构的内部培养液不能充分流通.另外,仿生参数结构的培养液流速误差最小,说明
培养液在该结构中的各个位置流速最相近.
5 讨 论
支架内部的流道能够为细胞提供更多的营养物质并且及时运走代谢产物,对支架的
生物性能有关键影响[11-13].由于肝脏总血液流量的3/4通过门静脉流入,因此对
门静脉的形状参数进行研究.血管铸型是一种成熟的血管形状重构方法,能够准确将
血管形态转化为便于保存的实体模型[19].但是,受到灌注材料本身流动性的影响,该
方法只能重构尺寸较大的血管[20].经过对多只大鼠的统计分析发现,虽然体型不同
各铸型的尺寸不同,却符合级间比1.41～1.7、分支夹角呈正态分布的规律,因此选
择级间比1.41、所有夹角呈77.72°这两个参数作为设计依据.
有限元分析结果对比了不同结构对流场分布的影响.剪切应力场代表培养液对细胞
的冲刷力,流速场代表培养液的输送量[11,21].场分布均匀,说明细胞在支架各个位置
上的培养条件更加一致.在同样面积内,具有树状分支结构的流道比无分支结构的面
积大,材料部分的流速更高,养分输送的效率更高.在不同角度的分支结构中,具有仿生
角度结构的流场分布最为均匀,在灌流培养环境中,可以通过调节流速、氧分压等培
养参数,将整个支架内的培养环境调整到利于细胞生长的范围内.综合考虑营养的流
通效率和整个流场分布的均匀情况,各级流道夹角成仿生参数时的结果最为理想.
6 结 论
本文提出一种具有仿生流道的卷裹型肝细胞组织工程支架,可解决细胞在细胞-支架
复合培养中难以植入的问题,并使细胞成三维分布.对血管网络铸型进行显微测量,提
取形状特征参数进行统计分析.设计的支架具有树状多级分支结构流道,仿生了动脉、
毛细血管、静脉的血管微循环系统,其级间直径比和分支夹角符合血管统计结果.建
立了不同流道结构的对比模型进行CFD分析,发现仿生结构能够为整个支架提供最
为均匀的培养液流通环境.该流道在矩形平面内分布,通过阵列方式形成一系列功能
类似的结构,可应用卷裹方式形成流道的三维分布.制造中可采用在负型模具中灌注
后冻干的方法,得到具有该仿生流道的多孔支架,经过润湿后卷裹形成圆柱形的三维
支架,适用于动态灌流培养系统.下一步需进行体外动态培养和体内植入实验,从而实
际评价其细胞培养能力,还可尝试多层卷裹方式,应用于多种细胞复合培养研究.
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