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

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

Efeito da porosidade e da geometria dos poros nas propriedades mecânicas e biológicas de scaffolds ósseos produzidos por fabrico aditivo

1. Referência científica

• Título do estudo: Efeito da porosidade e da geometria dos poros nas propriedades mecânicas e biológicas de scaffolds ósseos produzidos por fabrico aditivo
• Título original: Effect of Porosity and Pore Shape on the Mechanical and Biological Properties of Additively Manufactured Bone Scaffolds
• Autores: Qingyang Liu, Fei Wei, Melanie Coathup, Wen Shen, Dazhong Wu
• Revista científica: Advanced Healthcare Materials
• Ano de publicação: 2023
• DOI: 10.1002/adhm.202301111

2. Contexto científico

O fabrico aditivo tem vindo a assumir um papel cada vez mais relevante no desenvolvimento de biomateriais destinados à regeneração óssea. A possibilidade de produzir scaffolds tridimensionais com uma arquitetura interna rigorosamente controlada permite otimizar simultaneamente o comportamento mecânico e a resposta biológica, fatores essenciais para o sucesso das estratégias de engenharia de tecidos ósseos.

No contexto da reconstrução óssea, incluindo situações que possam anteceder uma futura reabilitação implantar, a geometria interna do scaffold constitui um parâmetro de projeto tão importante quanto a seleção do biomaterial. A distribuição da porosidade e a forma dos poros podem influenciar a adesão celular, a proliferação de células envolvidas na regeneração óssea e a capacidade da estrutura suportar cargas mecânicas. Este estudo analisa precisamente a influência destes fatores em scaffolds produzidos por impressão 3D.

3. Objetivo do estudo

O objetivo desta investigação foi avaliar de que forma o grau de porosidade e a geometria dos poros afetam simultaneamente as propriedades mecânicas e o comportamento biológico de scaffolds ósseos produzidos por fabrico aditivo. Os autores procuraram identificar quais as arquiteturas internas mais favoráveis para promover a proliferação celular e melhorar o desempenho mecânico em aplicações de engenharia de tecidos ósseos.

4. Metodologia

Trata-se de um estudo experimental pré-clínico in vitro.

Foram produzidos scaffolds em ácido polilático (PLA) através da tecnologia Fused Filament Fabrication, utilizando níveis de porosidade entre 15% e 78%. Foram comparadas três arquiteturas distintas: uma estrutura regular com poros retangulares e duas geometrias baseadas em superfícies mínimas periódicas triplas (Triply Periodic Minimal Surfaces – TPMS), designadas Gyroid e Diamond.

A resposta biológica foi avaliada através da cultura de macrófagos de origem murina e de células estromais mesenquimais humanas derivadas da medula óssea (hBMSCs). Paralelamente, foram realizados ensaios de compressão para caracterizar o comportamento mecânico e análises da morfologia superficial dos scaffolds. O resumo disponível não especifica o número de amostras nem outros detalhes metodológicos.

5. Principais resultados

Os resultados demonstraram que tanto a porosidade como a geometria dos poros influenciam significativamente o desempenho biológico e mecânico dos scaffolds.

As estruturas com porosidades de 15%, 30% e 45% apresentaram os níveis mais elevados de proliferação de macrófagos e de células estromais mesenquimais humanas. Relativamente à arquitetura interna, os scaffolds Gyroid e Diamond favoreceram uma maior proliferação de macrófagos quando comparados com a estrutura regular. Entre todas as configurações analisadas, a arquitetura Diamond revelou igualmente a maior proliferação das hBMSCs.

No que respeita às propriedades mecânicas, as estruturas TPMS apresentaram um comportamento superior sob compressão relativamente aos scaffolds regulares. A geometria Diamond destacou-se por apresentar os valores mais elevados de módulo de compressão e de resistência mecânica. A análise da superfície mostrou ainda uma rugosidade superior nos scaffolds Gyroid e Diamond para níveis idênticos de porosidade, característica que, neste estudo, foi associada a uma melhor adesão e proliferação celular.

6. Análise clínica

Este estudo demonstra que a arquitetura interna de um scaffold representa um fator determinante na sua funcionalidade. Para além das propriedades intrínsecas do biomaterial, a configuração geométrica da estrutura pode influenciar simultaneamente a resistência mecânica e o ambiente biológico necessário à regeneração do tecido ósseo.

Na perspetiva da reconstrução óssea e de futuras aplicações em implantologia dentária, o desenvolvimento de scaffolds capazes de combinar estabilidade estrutural com condições favoráveis ao crescimento celular constitui um objetivo importante. Os resultados obtidos sugerem que as arquiteturas TPMS, particularmente a geometria Diamond, apresentam características promissoras para esse fim.

Contudo, importa salientar que todas as observações resultam de um modelo experimental in vitro. Por conseguinte, não é possível extrapolar diretamente estes resultados para o desempenho clínico em doentes submetidos a procedimentos de regeneração óssea ou de reabilitação implantar. Estudos em modelos animais e ensaios clínicos serão indispensáveis para validar a aplicabilidade destas soluções em contexto clínico.

7. Aplicações clínicas

Os resultados desta investigação poderão contribuir para o desenvolvimento de novos scaffolds personalizados destinados à regeneração óssea através de tecnologias de fabrico aditivo.

O conhecimento obtido relativamente à influência da porosidade e da geometria dos poros poderá apoiar o desenvolvimento de biomateriais para procedimentos de reconstrução óssea prévios à colocação de implantes dentários ou em reconstruções maxilofaciais complexas. Estas informações poderão igualmente ser relevantes para fluxos digitais de conceção CAD/CAM aplicados à engenharia de tecidos. No entanto, os dados atualmente disponíveis não permitem estabelecer recomendações clínicas nem comprovar a eficácia destas estruturas em seres humanos.

8. Nível de evidência, limitações e transparência

Esta publicação corresponde a um estudo experimental pré-clínico in vitro, representando um nível inicial de evidência científica.

A investigação fornece informação relevante sobre a influência da arquitetura dos scaffolds nas suas propriedades biológicas e mecânicas, mas não inclui validação em modelos animais nem resultados clínicos. As limitações metodológicas não são descritas em detalhe no resumo disponível.

Também não são referidos conflitos de interesse nem ligações dos autores a fabricantes de biomateriais nas informações fornecidas.

9. Pontos-chave do estudo

• Tipo de estudo: Estudo experimental pré-clínico in vitro.
• Nível de evidência: Pré-clínico.
• População ou amostras analisadas: Não especificadas nas informações disponíveis.
• Número de doentes ou implantes: Não aplicável.
• Período de acompanhamento: Não especificado.
• Principal variável avaliada: Influência da porosidade e da geometria dos poros nas propriedades mecânicas e biológicas dos scaffolds.
• Principal resultado: As arquiteturas Diamond e Gyroid apresentaram melhor desempenho mecânico, enquanto a geometria Diamond favoreceu uma maior proliferação das células estromais mesenquimais humanas.
• Conclusão científica: A arquitetura interna constitui um parâmetro essencial na otimização de scaffolds produzidos por fabrico aditivo para engenharia de tecidos ósseos.
• Limitações: Estudo limitado a um modelo in vitro; outras limitações não são descritas nas informações disponíveis.

10. Impacto científico

Este estudo reforça a importância da microarquitetura na conceção de scaffolds destinados à regeneração óssea. Os resultados demonstram que a organização interna da estrutura pode influenciar simultaneamente a resposta biológica das células e o comportamento mecânico do biomaterial, oferecendo novos critérios para o desenvolvimento de soluções regenerativas mais eficientes.

Para a investigação em engenharia de tecidos, reconstrução óssea e implantologia, estes dados fornecem uma base experimental relevante para a otimização de scaffolds concebidos digitalmente, nomeadamente aqueles baseados em geometrias TPMS. Embora os resultados permaneçam limitados ao contexto pré-clínico, constituem um ponto de partida importante para futuros estudos em modelos animais e ensaios clínicos destinados a avaliar a sua aplicabilidade terapêutica.

11. Conclusão editorial

Este estudo pré-clínico evidencia que a porosidade e a geometria dos poros exercem uma influência significativa tanto nas propriedades mecânicas como na resposta biológica dos scaffolds ósseos produzidos por fabrico aditivo. Entre as arquiteturas avaliadas, a configuração Diamond apresentou o desempenho global mais favorável nas condições experimentais analisadas. Apesar do interesse destes resultados para o desenvolvimento de biomateriais destinados à regeneração óssea, a sua aplicação clínica dependerá da confirmação obtida através de estudos in vivo e de investigação clínica adicional.