Análise por Elementos Finitos do Comportamento Mecânico, da Permeabilidade e da Tensão de Cisalhamento na Parede Induzida pelo Fluxo de Fluidos em Scaffolds de Alta Porosidade com Arquiteturas Gyroid e Reticulada

Davar Ali, Sadri Sen

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

Análise por Elementos Finitos do Comportamento Mecânico, da Permeabilidade e da Tensão de Cisalhamento na Parede Induzida pelo Fluxo de Fluidos em Scaffolds de Alta Porosidade com Arquiteturas Gyroid e Reticulada

1. Referência científica

• Título do estudo: Análise por Elementos Finitos do Comportamento Mecânico, da Permeabilidade e da Tensão de Cisalhamento na Parede Induzida pelo Fluxo de Fluidos em Scaffolds de Alta Porosidade com Arquiteturas Gyroid e Reticulada
• Autores: Davar Ali, Sadri Sen
• Revista científica: Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials
• Ano de publicação: 2017
• DOI: 10.1016/j.jmbbm.2017.07.035
• PMID: 28759838

2. Contexto científico

O desenvolvimento de scaffolds altamente porosos constitui uma área estratégica da engenharia de tecidos ósseos, uma vez que estes biomateriais devem reunir simultaneamente estabilidade mecânica e condições favoráveis à regeneração biológica. Para além da sua capacidade de suportar cargas, estas estruturas devem permitir uma circulação adequada de fluidos no seu interior, promovendo o transporte de nutrientes, a remoção de metabolitos e os estímulos mecânicos associados ao crescimento celular.

Na implantologia dentária, na cirurgia oral e na reconstrução óssea, a arquitetura interna dos scaffolds desempenha um papel determinante no desempenho global do biomaterial. Diferentes configurações geométricas podem modificar significativamente as propriedades mecânicas e o comportamento hidrodinâmico da estrutura. Este estudo investiga precisamente a influência dessas características através da comparação entre duas arquiteturas tridimensionais distintas utilizando simulações computacionais.

3. Objetivo do estudo

O objetivo principal deste trabalho foi comparar duas arquiteturas de scaffolds de elevada porosidade — uma baseada numa geometria gyroid e outra constituída por uma estrutura reticulada de células retangulares — avaliando o efeito da porosidade sobre o seu comportamento mecânico e hidrodinâmico.

Os autores procuraram determinar de que forma diferentes níveis de porosidade influenciam o módulo de elasticidade, a resistência à compressão, a permeabilidade e a tensão de cisalhamento induzida pelo fluxo de fluidos, identificando as configurações que mais se aproximam das propriedades do osso trabecular.

4. Metodologia

Trata-se de um estudo pré-clínico de modelação computacional, realizado através da Análise por Elementos Finitos (Finite Element Analysis – FEA) em associação com Dinâmica Computacional dos Fluidos (Computational Fluid Dynamics – CFD).

Foram desenvolvidos dois modelos de scaffold, cada um analisado com seis níveis de porosidade (65%, 70%, 75%, 80%, 85% e 90%), totalizando doze modelos computacionais.

As simulações permitiram calcular o módulo de elasticidade efetivo, a deformação estrutural sob carga estática, a resistência à compressão segundo o critério de Von Mises, a perda de pressão, a permeabilidade utilizando a Lei de Darcy e a tensão de cisalhamento exercida nas paredes internas pelo fluxo de fluidos.

Os elementos disponibilizados não referem validação experimental, estudos em animais nem ensaios clínicos.

5. Principais resultados

Em ambas as arquiteturas avaliadas, o aumento da porosidade esteve associado a uma diminuição progressiva das propriedades mecânicas. Os modelos mais porosos apresentaram valores inferiores do módulo de Young e menor resistência à compressão.

Quando comparadas estruturas com o mesmo grau de porosidade, os scaffolds de arquitetura reticulada demonstraram maior rigidez e resistência mecânica do que os modelos gyroid.

Também foram observadas diferenças relevantes relativamente ao transporte de fluidos. Para níveis idênticos de porosidade, os scaffolds reticulados apresentaram maior permeabilidade e menores valores de tensão de cisalhamento na parede em comparação com as estruturas gyroid.

Além disso, verificou-se que o aumento da porosidade favorece a permeabilidade, reduzindo simultaneamente as tensões de cisalhamento induzidas pelo fluxo em ambas as arquiteturas. A análise integrada dos parâmetros mecânicos e hidrodinâmicos permitiu identificar os modelos cujo comportamento mais se aproxima das características do osso esponjoso.

6. Análise clínica

Embora este trabalho seja exclusivamente baseado em simulações computacionais, fornece informações relevantes para o desenvolvimento de biomateriais destinados à regeneração óssea. Os resultados demonstram que a percentagem de porosidade, isoladamente, não é suficiente para definir o desempenho funcional de um scaffold, sendo igualmente importante considerar a organização geométrica da sua estrutura interna.

No contexto da implantologia dentária, da cirurgia oral e da reconstrução óssea, estas observações reforçam a necessidade de desenvolver biomateriais capazes de equilibrar resistência mecânica e capacidade de transporte de fluidos. Uma estrutura excessivamente rígida poderá limitar os processos biológicos associados à regeneração, enquanto uma porosidade demasiado elevada poderá comprometer a estabilidade mecânica inicial.

Importa salientar que estas conclusões resultam exclusivamente de modelos numéricos. Assim, a sua relevância clínica deverá ser confirmada através de estudos experimentais e investigações in vivo antes de qualquer extrapolação para a prática clínica.

7. Aplicações clínicas

Os resultados deste estudo podem apoiar o desenvolvimento de scaffolds destinados à regeneração óssea em implantologia dentária, cirurgia oral e cirurgia reconstrutiva.

Os dados obtidos poderão ser utilizados na otimização de biomateriais produzidos por fabrico aditivo ou tecnologias CAD/CAM, procurando reproduzir simultaneamente propriedades mecânicas adequadas e características favoráveis ao transporte de fluidos. Contudo, o estudo constitui essencialmente uma base de engenharia para futuras investigações e não fornece evidência clínica suficiente para recomendações terapêuticas.

8. Nível de evidência, limitações e transparência

Esta publicação corresponde a um estudo pré-clínico de modelação computacional baseado em Análise por Elementos Finitos e Dinâmica Computacional dos Fluidos.

O nível de evidência é limitado, uma vez que não são descritas validações experimentais, estudos em animais ou ensaios clínicos nos elementos disponibilizados.

As limitações metodológicas não são detalhadas no resumo disponível. Da mesma forma, não existem informações sobre conflitos de interesse ou relações institucionais dos autores com fabricantes de biomateriais.

Os resultados devem, portanto, ser interpretados como evidência de natureza computacional que necessita de confirmação experimental.

9. Pontos-chave do estudo

• Tipo de estudo: Estudo pré-clínico de modelação computacional.
• Nível de evidência: Investigação pré-clínica.
• População ou número de estudos analisados: Não aplicável.
• Número de pacientes ou implantes: Não especificado nos elementos fornecidos.
• Período de acompanhamento: Não aplicável.
• Principal parâmetro avaliado: Influência da porosidade e da arquitetura do scaffold nas propriedades mecânicas, permeabilidade e tensão de cisalhamento.
• Principal resultado: Os scaffolds de arquitetura reticulada apresentaram maior resistência mecânica e maior permeabilidade do que os modelos gyroid para a mesma porosidade.
• Conclusão científica: Determinadas configurações estruturais reproduzem de forma mais próxima as propriedades mecânicas e hidrodinâmicas do osso trabecular.
• Limitações: Estudo exclusivamente computacional, sem validação experimental ou clínica.

10. Impacto científico

Este estudo contribui para aprofundar o conhecimento sobre a influência da arquitetura interna dos scaffolds no seu desempenho estrutural e funcional. A integração da análise mecânica com a dinâmica dos fluidos demonstra que a avaliação destes biomateriais deve considerar simultaneamente diferentes parâmetros para compreender o seu comportamento global.

A comparação entre arquiteturas gyroid e reticulada evidencia que estruturas com o mesmo grau de porosidade podem apresentar propriedades significativamente distintas em função da sua geometria. Estes resultados fornecem uma base sólida para o desenvolvimento de scaffolds personalizados destinados à regeneração óssea e apoiam futuras investigações experimentais orientadas para a validação destas previsões computacionais.

11. Conclusão editorial

Este estudo de modelação computacional evidencia a importância da arquitetura interna dos scaffolds altamente porosos na combinação entre estabilidade mecânica e transporte de fluidos. Os resultados demonstram que a geometria desempenha um papel determinante no comportamento funcional destas estruturas e deve ser considerada no desenvolvimento de biomateriais para regeneração óssea. Apesar de exigir validação experimental, este trabalho representa uma contribuição relevante para a otimização futura de scaffolds aplicáveis à implantologia dentária e à cirurgia reconstrutiva.