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

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

Wpływ porowatości i geometrii porów na właściwości mechaniczne oraz biologiczne rusztowań kostnych wytwarzanych metodami przyrostowymi

1. Dane bibliograficzne

• Tytuł badania: Wpływ porowatości i geometrii porów na właściwości mechaniczne oraz biologiczne rusztowań kostnych wytwarzanych metodami przyrostowymi
• Tytuł oryginalny: Effect of Porosity and Pore Shape on the Mechanical and Biological Properties of Additively Manufactured Bone Scaffolds
• Autorzy: Qingyang Liu, Fei Wei, Melanie Coathup, Wen Shen, Dazhong Wu
• Czasopismo naukowe: Advanced Healthcare Materials
• Rok publikacji: 2023
• DOI: 10.1002/adhm.202301111

2. Tło naukowe

Dynamiczny rozwój technologii wytwarzania przyrostowego otworzył nowe możliwości projektowania rusztowań kostnych przeznaczonych do zastosowań w inżynierii tkanki kostnej. Współczesne podejście do projektowania biomateriałów uwzględnia nie tylko właściwości zastosowanego materiału, lecz również architekturę wewnętrzną konstrukcji, która może wpływać zarówno na jej wytrzymałość mechaniczną, jak i na odpowiedź biologiczną komórek.

W rekonstrukcji ubytków kostnych, także w kontekście przyszłego leczenia implantologicznego, istotne jest opracowanie rusztowań zapewniających odpowiednią stabilność mechaniczną przy jednoczesnym stworzeniu środowiska sprzyjającego adhezji i proliferacji komórek. Niniejsze badanie koncentruje się na ocenie wpływu porowatości oraz geometrii porów na te właściwości w rusztowaniach wytwarzanych technologią druku 3D.

3. Cel badania

Celem badania była ocena wpływu stopnia porowatości oraz kształtu porów na właściwości biologiczne i mechaniczne rusztowań kostnych wykonanych metodą wytwarzania przyrostowego. Autorzy dążyli do określenia, które rozwiązania konstrukcyjne najlepiej wspierają proliferację komórek oraz zapewniają korzystne właściwości mechaniczne, istotne z punktu widzenia inżynierii tkanki kostnej.

4. Metodologia

Badanie miało charakter przedklinicznego eksperymentu in vitro.

Rusztowania wykonano z kwasu polimlekowego (PLA) z wykorzystaniem technologii Fused Filament Fabrication. Oceniano konstrukcje o porowatości od 15% do 78%. Porównano trzy typy architektury wewnętrznej: klasyczną strukturę z prostokątnymi porami oraz dwie struktury oparte na powierzchniach minimalnych okresowych (Triply Periodic Minimal Surfaces – TPMS), określane jako Gyroid i Diamond.

Do oceny odpowiedzi biologicznej wykorzystano makrofagi pochodzenia mysiego oraz ludzkie mezenchymalne komórki zrębowe szpiku kostnego (hBMSCs). Wykonano również badania wytrzymałości na ściskanie oraz analizę morfologii powierzchni. Liczba próbek oraz szczegółowe parametry eksperymentalne nie zostały podane w dostępnym streszczeniu.

5. Główne wyniki

Uzyskane wyniki wskazują, że zarówno porowatość, jak i geometria porów mają istotny wpływ na właściwości biologiczne i mechaniczne badanych rusztowań.

Najkorzystniejszą proliferację makrofagów oraz ludzkich mezenchymalnych komórek zrębowych obserwowano dla rusztowań o porowatości 15%, 30% i 45%. W porównaniu z konstrukcjami regularnymi architektury Gyroid i Diamond sprzyjały większej proliferacji makrofagów, natomiast najwyższą proliferację hBMSCs odnotowano dla struktury Diamond.

Również pod względem właściwości mechanicznych struktury TPMS osiągnęły lepsze wyniki niż konstrukcje regularne. Spośród wszystkich badanych wariantów najwyższy moduł sprężystości przy ściskaniu oraz największą wytrzymałość na ściskanie wykazały rusztowania Diamond. Analiza powierzchni wykazała ponadto większą chropowatość struktur Gyroid i Diamond przy tym samym poziomie porowatości, co w tym badaniu wiązano z korzystniejszą adhezją i proliferacją komórek.

6. Analiza kliniczna

Badanie podkreśla znaczenie architektury wewnętrznej rusztowań jako jednego z kluczowych elementów ich projektowania. Wyniki sugerują, że odpowiedni dobór geometrii porów może jednocześnie poprawiać właściwości mechaniczne oraz tworzyć bardziej sprzyjające środowisko dla komórek uczestniczących w regeneracji tkanki kostnej.

Z punktu widzenia przyszłych zastosowań w rekonstrukcji kości i implantologii stomatologicznej opracowanie rusztowań łączących wysoką wytrzymałość mechaniczną z korzystnymi właściwościami biologicznymi ma szczególne znaczenie. W analizowanych warunkach laboratoryjnych najbardziej obiecujące właściwości wykazały konstrukcje o geometrii Diamond.

Należy jednak pamiętać, że przedstawione wyniki pochodzą wyłącznie z badań in vitro. Nie można więc bezpośrednio przenosić ich na warunki kliniczne ani przewidywać skuteczności takich rusztowań u pacjentów. Potwierdzenie uzyskanych obserwacji wymaga dalszych badań przedklinicznych oraz badań klinicznych.

7. Zastosowania kliniczne

Wyniki badania mogą stanowić podstawę do projektowania nowych, spersonalizowanych rusztowań kostnych wytwarzanych metodami przyrostowymi.

Uzyskane dane dotyczące wpływu porowatości i geometrii porów mogą znaleźć zastosowanie podczas opracowywania biomateriałów przeznaczonych do regeneracji kości przed leczeniem implantologicznym lub w złożonych rekonstrukcjach szczękowo-twarzowych. Badanie może być również wartościowe dla rozwoju cyfrowych procesów projektowania CAD/CAM wykorzystywanych w inżynierii tkankowej. Na podstawie dostępnych danych nie można jednak formułować bezpośrednich zaleceń klinicznych.

8. Poziom dowodów naukowych, ograniczenia i przejrzystość

Publikacja stanowi przedkliniczne badanie eksperymentalne in vitro, odpowiadające wczesnemu poziomowi dowodów naukowych.

Badanie dostarcza wartościowych informacji dotyczących zależności między architekturą rusztowań, ich właściwościami mechanicznymi i odpowiedzią biologiczną komórek, jednak nie obejmuje badań na modelach zwierzęcych ani wyników klinicznych. Ograniczenia metodologiczne nie zostały szczegółowo opisane w dostępnych materiałach.

W udostępnionym streszczeniu nie wspomniano również o potencjalnych konfliktach interesów ani powiązaniach autorów z producentami biomateriałów.

9. Najważniejsze informacje

• Rodzaj badania: Przedkliniczne badanie in vitro.
• Poziom dowodów: Przedkliniczny.
• Badana populacja lub liczba próbek: Nie podano w dostępnych materiałach.
• Liczba pacjentów lub implantów: Nie dotyczy.
• Okres obserwacji: Nie podano.
• Główny oceniany parametr: Wpływ porowatości i geometrii porów na właściwości biologiczne i mechaniczne rusztowań kostnych.
• Najważniejszy wynik: Struktury Diamond i Gyroid wykazały lepsze właściwości mechaniczne, natomiast architektura Diamond zapewniła najwyższą proliferację ludzkich mezenchymalnych komórek zrębowych.
• Wniosek naukowy: Architektura wewnętrzna stanowi istotny element projektowania rusztowań przeznaczonych do inżynierii tkanki kostnej.
• Ograniczenia: Model in vitro; pozostałe ograniczenia nie zostały opisane w dostępnych informacjach.

10. Znaczenie naukowe

Badanie wnosi istotny wkład do rozwoju wiedzy dotyczącej projektowania rusztowań kostnych wytwarzanych metodami przyrostowymi. Wyniki wskazują, że odpowiednie ukształtowanie mikroarchitektury może jednocześnie wpływać na właściwości mechaniczne oraz na zachowanie komórek odpowiedzialnych za regenerację tkanki kostnej.

Dla badaczy zajmujących się inżynierią tkankową, regeneracją kości oraz implantologią praca dostarcza wartościowych danych eksperymentalnych wspierających rozwój struktur opartych na geometrii TPMS. Choć uzyskane wyniki mają obecnie charakter przedkliniczny, mogą stanowić podstawę dla dalszych badań prowadzonych na modelach zwierzęcych oraz w przyszłych badaniach klinicznych.

11. Wnioski redakcyjne

Przedstawione badanie potwierdza, że porowatość oraz geometria porów odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu właściwości biologicznych i mechanicznych rusztowań kostnych wytwarzanych metodami przyrostowymi. Spośród analizowanych rozwiązań architektura Diamond wykazała najbardziej korzystne parametry w warunkach laboratoryjnych. Mimo obiecujących wyników ich znaczenie kliniczne wymaga potwierdzenia w badaniach in vivo oraz w dobrze zaprojektowanych badaniach klinicznych.