Repairing critical-size bone defects with engineered scaffolds remains a challenge in orthopedic practice. Insufficient vascularization is a major reason causing the failure of bone regeneration within scaffolds. Loading exogenous vascular endothelial growth factor (VEGF) in biodegradable polymer scaffolds and controlling its release rate can promote vascularization in scaffolds and accelerate bone regeneration during bone repair. In this study, we developed a 3D mechanical–chemical model of bone regeneration, which combines multiple mechanical–chemical factors including mechanical stimulation, scaffold degradation, VEGF release and transportation, vascularization and oxygen delivery. This model simulated the coupled dynamic mechanical–chemical environments during bone regeneration and scaffold degradation and predicted bone growth under different mechanical–chemical conditions. Moreover, the predictive power of the model was preliminarily validated by experimental data in literature. Based on the validated model, the effect of exogenous VEGF doses on bone regeneration and the optimal doses under different mechanical stimulations was investigated. The simulation results suggested that there was an optimal range of VEGF doses, which promoted the efficiency of bone regeneration, and an appropriate mechanical stimulation improved the effect of VEGF on bone regeneration. The present work may provide a useful platform for future design of bone scaffolds to regenerate functional bones.

用工程支架修复临界尺寸的骨缺损仍然是骨科实践中的一个挑战。血管化不足是导致支架内骨再生失败的主要原因。在可生物降解的聚合物支架中加载外源性血管内皮生长因子 (VEGF) 并控制其释放速率可以促进支架中的血管化并加速骨修复过程中的骨再生。在这项研究中，我们开发了一种骨再生的 3D 机械-化学模型，该模型结合了多种机械-化学因素，包括机械刺激、支架降解、VEGF 释放和运输、血管化和氧气输送。该模型模拟了骨再生和支架降解过程中耦合的动态机械-化学环境，并预测了不同机械-化学条件下的骨生长。此外，模型的预测能力也得到了文献中实验数据的初步验证。基于验证的模型，研究了外源性VEGF剂量对骨再生的影响以及不同机械刺激下的最佳剂量。模拟结果表明，VEGF剂量存在最佳范围，促进骨再生效率，适当的机械刺激可提高VEGF对骨再生的作用。目前的工作可能为未来设计骨支架以再生功能性骨骼提供一个有用的平台。通过文献中的实验数据初步验证了该模型的预测能力。基于验证的模型，研究了外源性VEGF剂量对骨再生的影响以及不同机械刺激下的最佳剂量。模拟结果表明，VEGF剂量存在最佳范围，促进骨再生效率，适当的机械刺激可提高VEGF对骨再生的作用。目前的工作可能为未来设计骨支架以再生功能性骨骼提供一个有用的平台。通过文献中的实验数据初步验证了该模型的预测能力。基于验证的模型，研究了外源性VEGF剂量对骨再生的影响以及不同机械刺激下的最佳剂量。模拟结果表明，VEGF剂量存在最佳范围，促进骨再生效率，适当的机械刺激可提高VEGF对骨再生的作用。目前的工作可能为未来设计骨支架以再生功能性骨骼提供一个有用的平台。模拟结果表明，VEGF剂量存在最佳范围，促进骨再生效率，适当的机械刺激可提高VEGF对骨再生的作用。目前的工作可能为未来设计骨支架以再生功能性骨骼提供一个有用的平台。模拟结果表明，VEGF剂量存在最佳范围，促进骨再生效率，适当的机械刺激可提高VEGF对骨再生的作用。目前的工作可能为未来设计骨支架以再生功能性骨骼提供一个有用的平台。