Abstract Degradable porous polymeric structures are attractive candidates for biological tissue scaffolds, and adequate mechanical, transport, chemical and biological properties determine their functionality. Aside from the properties of polymer-based materials, the scaffold's meso-structure controls its elasticity at the organ length-scale. This study investigated the effect of the meso-structure on scaffolds' mechanical and transport properties using finite element analysis (FEA) and computational fluid dynamics (CFD). A number of poly (e-caprolactone) (PCL) - based scaffolds were 3D printed, analyzed by microcomputed tomography (micro-CT) and mechanically tested. We found that the gradient (G) and gradient and staggered (GS) meso-structure designs led to a higher scaffold permeability, a more homogeneous flow inside the scaffold, and a lower wall shear stress (WSS) in comparison with the basic (B) meso-structure design. The GS design resulted in scaffold stiffness as low as 1.07/0.97 MPa under compression/tension, figures that are comparative with several soft tissues. Image processing of micro-CT data demonstrated that the imposed meso-structures could have been adequately realized through 3D printing, and experimental testing validated FEA analysis. Our results suggest that the properties of 3D-printed PCL-based scaffolds can be tuned via meso-structures toward soft tissue engineering applications. The biological function of designed scaffolds should be further explored in-situ studies.

中文翻译：

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用于软生物组织支架设计的 3D 打印 PCL 结构的计算和实验表征

摘要 可降解的多孔聚合物结构是生物组织支架的有吸引力的候选者，足够的机械、运输、化学和生物特性决定了它们的功能。除了聚合物基材料的特性外，支架的细观结构控制其在器官长度尺度上的弹性。本研究使用有限元分析 (FEA) 和计算流体动力学 (CFD) 研究了细观结构对支架机械和传输特性的影响。许多基于聚（ε-己内酯）（PCL）的支架被 3D 打印，通过显微计算机断层扫描（micro-CT）进行分析并进行机械测试。我们发现梯度 (G) 和梯度和交错 (GS) 细观结构设计导致更高的支架渗透性，支架内更均匀的流动，与基本 (B) 细观结构设计相比，壁面剪应力 (WSS) 更低。GS 设计导致支架在压缩/拉伸下的刚度低至 1.07/0.97 MPa，与几种软组织相比的数字。微 CT 数据的图像处理表明，施加的细观结构可以通过 3D 打印充分实现，并且实验测试验证了 FEA 分析。我们的结果表明，3D 打印的基于 PCL 的支架的特性可以通过细观结构调整到软组织工程应用。设计支架的生物学功能应进一步探索原位研究。与几种软组织进行比较的数字。微 CT 数据的图像处理表明，施加的细观结构可以通过 3D 打印充分实现，并且实验测试验证了 FEA 分析。我们的结果表明，3D 打印的基于 PCL 的支架的特性可以通过细观结构调整到软组织工程应用。设计支架的生物学功能应进一步探索原位研究。与几种软组织进行比较的数字。微 CT 数据的图像处理表明，施加的细观结构可以通过 3D 打印充分实现，并且实验测试验证了 FEA 分析。我们的结果表明，3D 打印的基于 PCL 的支架的特性可以通过细观结构调整到软组织工程应用。设计支架的生物学功能应进一步探索原位研究。我们的结果表明，3D 打印的基于 PCL 的支架的特性可以通过细观结构调整到软组织工程应用。设计支架的生物学功能应进一步探索原位研究。我们的结果表明，3D 打印的基于 PCL 的支架的特性可以通过细观结构调整到软组织工程应用。设计支架的生物学功能应进一步探索原位研究。