Qingyang Liu, Fei Wei, Melanie Coathup, Wen Shen, Dazhong Wu

Full text link : https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37689976/

Invloed van porositeit en poriegeometrie op de mechanische en biologische eigenschappen van additief vervaardigde botscaffolds

1. Wetenschappelijke referentie

• Titel van de studie: Invloed van porositeit en poriegeometrie op de mechanische en biologische eigenschappen van additief vervaardigde botscaffolds
• Originele titel: Effect of Porosity and Pore Shape on the Mechanical and Biological Properties of Additively Manufactured Bone Scaffolds
• Auteurs: Qingyang Liu, Fei Wei, Melanie Coathup, Wen Shen, Dazhong Wu
• Wetenschappelijk tijdschrift: Advanced Healthcare Materials
• Publicatiejaar: 2023
• DOI: 10.1002/adhm.202301111

2. Wetenschappelijke achtergrond

Additieve productietechnieken bieden nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van botscaffolds met een nauwkeurig gecontroleerde interne structuur. Binnen de botweefselengineering wordt steeds duidelijker dat niet alleen het gekozen biomateriaal van belang is, maar ook de architectuur van het scaffold. De porositeit en de vorm van de poriën kunnen namelijk zowel de mechanische eigenschappen als de interactie met cellen die betrokken zijn bij botregeneratie beïnvloeden.

Voor toepassingen binnen de botreconstructie en toekomstige implantologische behandelingen is een scaffold gewenst dat voldoende mechanische stabiliteit combineert met een biologisch gunstige omgeving voor celhechting en weefselvorming. Tegen deze achtergrond onderzoekt deze studie hoe verschillende porositeitsniveaus en poriegeometrieën bijdragen aan de prestaties van additief vervaardigde scaffolds.

3. Doel van de studie

Het doel van deze studie was om de invloed van porositeit en poriegeometrie op zowel de biologische als de mechanische eigenschappen van additief vervaardigde botscaffolds te onderzoeken. De onderzoekers wilden vaststellen welke interne architecturen de meest gunstige combinatie bieden van celproliferatie en mechanische weerstand, met het oog op toekomstige toepassingen binnen de botweefselengineering.

4. Methodologie

Dit betreft een preklinische in-vitrostudie.

Scaffolds van polymelkzuur (PLA) werden vervaardigd met behulp van Fused Filament Fabrication. De onderzochte structuren hadden porositeitsniveaus variërend van 15% tot 78%. Drie verschillende interne architecturen werden met elkaar vergeleken: een conventionele structuur met rechthoekige poriën en twee zogenoemde Triply Periodic Minimal Surface (TPMS)-structuren, namelijk Gyroid en Diamond.

Voor de biologische evaluatie werden muriene macrofagen en humane uit beenmerg afkomstige mesenchymale stromale cellen (hBMSCs) op de scaffolds gekweekt. Daarnaast werden compressietesten uitgevoerd om de mechanische eigenschappen te bepalen en werd de oppervlaktetopografie onderzocht. Het beschikbare abstract vermeldt geen informatie over het aantal monsters of andere gedetailleerde experimentele parameters.

5. Belangrijkste resultaten

De resultaten tonen aan dat zowel de porositeit als de interne poriestructuur een duidelijke invloed hebben op de biologische en mechanische prestaties van de onderzochte scaffolds.

Scaffolds met een porositeit van 15%, 30% en 45% lieten de hoogste proliferatie zien van zowel macrofagen als humane mesenchymale stromale cellen. Wat betreft de geometrie ondersteunden de Gyroid- en Diamond-structuren een sterkere proliferatie van macrofagen dan de reguliere architectuur. De Diamond-configuratie resulteerde bovendien in de hoogste proliferatie van hBMSCs.

Ook op mechanisch vlak presteerden de TPMS-structuren beter dan de conventionele scaffolds. Van alle onderzochte ontwerpen behaalde de Diamond-architectuur de hoogste compressiemodulus en compressiesterkte. Daarnaast bleek uit de oppervlakteanalyse dat Gyroid- en Diamond-scaffolds bij een gelijke porositeit een grotere oppervlakteruwheid bezaten, wat in deze studie werd geassocieerd met een verbeterde celhechting en celproliferatie.

6. Klinische interpretatie

Deze studie onderstreept dat de interne architectuur van een scaffold een belangrijke ontwerpvariabele vormt die zowel de mechanische prestaties als de biologische interactie kan beïnvloeden. Daarmee blijkt dat de geometrie van een scaffold minstens zo relevant kan zijn als de materiaalkeuze bij de ontwikkeling van biomaterialen voor botregeneratie.

Vanuit het perspectief van botreconstructie en toekomstige implantologische toepassingen is het van groot belang dat een scaffold voldoende mechanische ondersteuning biedt en tegelijkertijd een omgeving creëert die de ontwikkeling van botvormende cellen bevordert. De onderzochte TPMS-architecturen, en met name het Diamond-ontwerp, lijken onder de experimentele omstandigheden een gunstige balans tussen deze eigenschappen te bieden.

De resultaten dienen echter met de nodige voorzichtigheid te worden geïnterpreteerd. De studie is volledig uitgevoerd onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden en maakt geen uitspraken over klinische prestaties bij patiënten. Verdere validatie in diermodellen en klinische onderzoeken is noodzakelijk voordat deze bevindingen kunnen worden toegepast binnen de dagelijkse praktijk van de orale chirurgie of implantologie.

7. Klinische toepassingen

De bevindingen van deze studie kunnen bijdragen aan de verdere ontwikkeling van gepersonaliseerde botscaffolds die met behulp van additieve productietechnieken worden vervaardigd.

De verkregen inzichten in de relatie tussen porositeit, poriegeometrie en biologische prestaties kunnen relevant zijn voor de ontwikkeling van biomaterialen voor botaugmentatie voorafgaand aan implantologische rehabilitaties of complexe maxillofaciale reconstructies. Daarnaast kunnen de resultaten waardevol zijn voor digitale ontwerpstrategieën binnen CAD/CAM-gebaseerde regeneratieve geneeskunde. Op basis van de beschikbare gegevens kunnen echter geen directe klinische aanbevelingen worden gedaan.

8. Bewijskracht, beperkingen en transparantie

Deze publicatie betreft een preklinische experimentele in-vitrostudie en vertegenwoordigt daarmee een vroeg niveau van wetenschappelijk bewijs.

De studie levert waardevolle inzichten op in de invloed van scaffoldarchitectuur op mechanische eigenschappen en cellulair gedrag, maar bevat geen dierexperimentele of klinische validatie. Methodologische beperkingen worden in het beschikbare abstract niet nader beschreven.

Evenmin wordt melding gemaakt van belangenconflicten of financiële relaties tussen de auteurs en fabrikanten van biomaterialen.

9. Kernpunten van de studie

• Studietype: Preklinische in-vitrostudie.
• Niveau van bewijs: Preklinisch.
• Onderzochte populatie of monsters: Niet vermeld in de beschikbare informatie.
• Aantal patiënten of implantaten: Niet van toepassing.
• Follow-upduur: Niet vermeld.
• Primaire uitkomstmaat: Invloed van porositeit en poriegeometrie op de biologische en mechanische eigenschappen van botscaffolds.
• Belangrijkste resultaat: Diamond- en Gyroid-architecturen vertoonden betere mechanische prestaties, terwijl de Diamond-structuur de hoogste proliferatie van humane mesenchymale stromale cellen liet zien.
• Wetenschappelijke conclusie: De interne architectuur vormt een essentieel ontwerpparameter voor de optimalisatie van additief vervaardigde scaffolds voor botweefselengineering.
• Beperkingen: In-vitromodel; aanvullende methodologische beperkingen worden niet vermeld.

10. Wetenschappelijke impact

Deze studie levert een waardevolle bijdrage aan het onderzoek naar additief vervaardigde biomaterialen voor botregeneratie. De resultaten tonen aan dat de interne geometrie van een scaffold een belangrijke rol speelt bij zowel de mechanische belastbaarheid als de biologische respons. Daarmee verschuift de aandacht van uitsluitend materiaalkeuze naar een geïntegreerde benadering waarin ook de architectuur van het scaffold centraal staat.

Voor onderzoekers op het gebied van botweefselengineering, regeneratieve geneeskunde en implantologie bieden deze gegevens nieuwe aanknopingspunten voor de ontwikkeling van geavanceerde scaffoldontwerpen, met name op basis van TPMS-geometrieën. Hoewel de resultaten beperkt blijven tot een preklinische laboratoriumsetting, vormen zij een solide basis voor vervolgonderzoek in diermodellen en uiteindelijk klinische studies.

11. Redactionele conclusie

Deze preklinische studie laat zien dat zowel de porositeit als de poriegeometrie een aanzienlijke invloed hebben op de mechanische eigenschappen en de biologische prestaties van additief vervaardigde botscaffolds. Van de onderzochte ontwerpen behaalde de Diamond-architectuur de meest gunstige combinatie van mechanische sterkte en cellulaire respons onder de geteste omstandigheden. Hoewel deze bevindingen interessante perspectieven bieden voor toekomstige toepassingen binnen de botregeneratie, zijn aanvullende preklinische en klinische onderzoeken noodzakelijk voordat een klinische toepassing kan worden overwogen.