Analisi agli elementi finiti del comportamento meccanico, della permeabilità e dello stress di taglio parietale indotto dal flusso di fluidi in scaffold ad elevata porosità con architettura gyroid e reticolare

Davar Ali, Sadri Sen

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28759838/

Analisi agli elementi finiti del comportamento meccanico, della permeabilità e dello stress di taglio parietale indotto dal flusso di fluidi in scaffold ad elevata porosità con architettura gyroid e reticolare

1. Riferimento scientifico

• Titolo dello studio: Analisi agli elementi finiti del comportamento meccanico, della permeabilità e dello stress di taglio parietale indotto dal flusso di fluidi in scaffold ad elevata porosità con architettura gyroid e reticolare
• Autori: Davar Ali, Sadri Sen
• Rivista scientifica: Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials
• Anno di pubblicazione: 2017
• DOI: 10.1016/j.jmbbm.2017.07.035
• PMID: 28759838

2. Contesto scientifico

Gli scaffold altamente porosi rappresentano una componente fondamentale dell’ingegneria dei tessuti ossei, poiché devono garantire contemporaneamente un adeguato supporto meccanico e condizioni favorevoli ai processi biologici coinvolti nella rigenerazione dell’osso. La loro efficacia dipende non soltanto dalla resistenza strutturale, ma anche dalla capacità di consentire il passaggio dei fluidi attraverso la rete porosa, favorendo così gli scambi di nutrienti e gli stimoli meccanici a livello cellulare.

Nel settore dell’implantologia dentale, della chirurgia orale e della ricostruzione ossea, la progettazione della geometria interna degli scaffold assume quindi un ruolo determinante. Differenti configurazioni tridimensionali possono modificare in modo significativo sia il comportamento meccanico sia le caratteristiche del flusso dei fluidi. Questo studio analizza tali aspetti confrontando due differenti architetture mediante simulazioni numeriche avanzate.

3. Obiettivo dello studio

L’obiettivo principale dello studio è stato confrontare due differenti architetture di scaffold ad elevata porosità, una con struttura gyroid e una con geometria reticolare a celle rettangolari, valutandone il comportamento meccanico e idrodinamico.

Gli autori hanno analizzato l’influenza della porosità sul modulo elastico, sulla resistenza alla compressione, sulla permeabilità e sullo stress di taglio esercitato dal flusso dei fluidi, con lo scopo di individuare le configurazioni maggiormente assimilabili alle proprietà dell’osso trabecolare.

4. Metodologia

Lo studio è di tipo preclinico ed è stato condotto mediante analisi agli elementi finiti (Finite Element Analysis, FEA) associata alla simulazione della dinamica computazionale dei fluidi (Computational Fluid Dynamics, CFD).

Sono state sviluppate due tipologie di scaffold, ciascuna valutata a sei differenti livelli di porosità (65%, 70%, 75%, 80%, 85% e 90%), per un totale di dodici modelli numerici.

Le simulazioni hanno consentito di determinare il modulo elastico equivalente, la deformazione sotto carico statico, la resistenza alla compressione secondo il criterio di Von Mises, la perdita di pressione, la permeabilità calcolata mediante la legge di Darcy e lo stress di taglio parietale generato dal flusso del fluido.

Negli elementi forniti non vengono descritte validazioni sperimentali, studi su animali o indagini cliniche.

5. Risultati principali

Per entrambe le architetture analizzate, l’aumento della porosità è risultato associato a una progressiva riduzione delle proprietà meccaniche. Gli scaffold più porosi hanno mostrato valori inferiori del modulo di Young e della resistenza alla compressione.

Confrontando modelli aventi la stessa porosità, le strutture reticolari hanno evidenziato prestazioni meccaniche superiori rispetto agli scaffold gyroid. Anche il comportamento idrodinamico è risultato differente: gli scaffold reticolari hanno presentato una permeabilità maggiore e valori inferiori di stress di taglio parietale rispetto alle strutture gyroid.

Le simulazioni hanno inoltre mostrato che l’incremento della porosità favorisce il passaggio del fluido all’interno degli scaffold, riducendo contemporaneamente lo stress meccanico esercitato sulle superfici interne. Integrando i dati meccanici e quelli relativi al trasporto dei fluidi, gli autori hanno identificato i modelli che riproducono più fedelmente le caratteristiche dell’osso spugnoso.

6. Analisi clinica

Pur trattandosi di uno studio esclusivamente computazionale, il lavoro offre indicazioni rilevanti per la progettazione di biomateriali destinati alla rigenerazione ossea. I risultati dimostrano che la sola percentuale di porosità non è sufficiente a prevedere il comportamento di uno scaffold, poiché anche la geometria interna esercita un’influenza determinante sulle proprietà funzionali.

Per l’implantologia dentale, la chirurgia orale e la ricostruzione ossea, questo significa che la progettazione degli scaffold dovrebbe ricercare un equilibrio tra stabilità meccanica e capacità di trasporto dei fluidi. Una struttura eccessivamente rigida potrebbe limitare gli scambi biologici, mentre una porosità molto elevata potrebbe compromettere la resistenza meccanica necessaria durante le fasi iniziali della guarigione.

È importante sottolineare che le conclusioni derivano esclusivamente da simulazioni numeriche. Pertanto, la loro applicazione clinica richiede ulteriori conferme attraverso studi sperimentali e successivi studi in vivo.

7. Applicazioni cliniche

I risultati dello studio possono contribuire allo sviluppo di scaffold destinati alla rigenerazione ossea nell’ambito dell’implantologia dentale, della chirurgia orale e della chirurgia ricostruttiva.

Le informazioni ottenute possono essere utilizzate durante la progettazione di biomateriali prodotti mediante tecnologie di manifattura additiva o sistemi CAD/CAM, con l’obiettivo di ottenere strutture che combinino adeguata stabilità meccanica e favorevoli caratteristiche di permeabilità. Lo studio rappresenta una base progettuale per future ricerche, ma non fornisce indicazioni cliniche dirette né raccomandazioni terapeutiche.

8. Livello di evidenza, limiti e trasparenza

Questa pubblicazione corrisponde a uno studio preclinico di modellazione numerica basato sull’analisi agli elementi finiti e sulla dinamica computazionale dei fluidi.

Il livello di evidenza è limitato, poiché non sono riportate validazioni sperimentali, studi animali o dati clinici nei materiali disponibili.

I limiti metodologici non vengono descritti nel riassunto fornito. Analogamente, non sono riportate dichiarazioni relative a conflitti di interesse o rapporti con aziende produttrici di biomateriali.

I risultati devono pertanto essere interpretati come dati di ingegneria applicata ai biomateriali, in attesa di conferme sperimentali.

9. Punti chiave dello studio

• Tipo di studio: Studio preclinico di modellazione numerica.
• Livello di evidenza: Ricerca preclinica.
• Popolazione o numero di studi analizzati: Non applicabile.
• Numero di pazienti o impianti: Non specificato negli elementi forniti.
• Periodo di follow-up: Non applicabile.
• Parametro principale valutato: Effetto della porosità e dell’architettura dello scaffold sulle proprietà meccaniche, sulla permeabilità e sullo stress di taglio.
• Risultato principale: Gli scaffold reticolari hanno mostrato maggiore resistenza meccanica e migliore permeabilità rispetto alle strutture gyroid a parità di porosità.
• Conclusione scientifica: Alcune configurazioni strutturali riproducono in modo più efficace le proprietà meccaniche e idrodinamiche dell’osso trabecolare.
• Limiti dello studio: Studio esclusivamente computazionale, privo di validazione sperimentale o clinica.

10. Impatto scientifico

Questo studio contribuisce ad approfondire il ruolo dell’architettura interna degli scaffold nella definizione delle loro prestazioni meccaniche e funzionali. L’approccio adottato dimostra che una valutazione completa dei biomateriali richiede l’integrazione di parametri strutturali e fluidodinamici, superando una semplice analisi della resistenza meccanica.

Il confronto tra architetture gyroid e reticolari evidenzia come differenti geometrie possano determinare comportamenti significativamente diversi anche in presenza dello stesso livello di porosità. Questi risultati rappresentano un utile riferimento per la progettazione di scaffold personalizzati destinati alla rigenerazione ossea e forniscono una base teorica per futuri studi sperimentali e clinici.

11. Conclusione editoriale

Questa analisi numerica conferma che la progettazione geometrica degli scaffold altamente porosi influenza in modo determinante sia il comportamento meccanico sia il trasporto dei fluidi all’interno della struttura. L’integrazione di questi due aspetti rappresenta un elemento fondamentale nello sviluppo di biomateriali per la rigenerazione ossea. Sebbene i risultati richiedano una successiva validazione sperimentale, lo studio offre un contributo significativo all’ottimizzazione delle future strategie di progettazione degli scaffold destinati all’implantologia e alla chirurgia ricostruttiva.