Analiza prin metoda elementelor finite a comportamentului mecanic, a permeabilității și a tensiunii tangențiale la nivelul peretelui induse de curgerea fluidelor în structuri scaffold cu porozitate ridicată și arhitectură gyroid și reticulară

Davar Ali, Sadri Sen

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

Analiza prin metoda elementelor finite a comportamentului mecanic, a permeabilității și a tensiunii tangențiale la nivelul peretelui induse de curgerea fluidelor în structuri scaffold cu porozitate ridicată și arhitectură gyroid și reticulară

1. Referință științifică

• Titlul studiului: Analiza prin metoda elementelor finite a comportamentului mecanic, a permeabilității și a tensiunii tangențiale la nivelul peretelui induse de curgerea fluidelor în structuri scaffold cu porozitate ridicată și arhitectură gyroid și reticulară
• Autori: Davar Ali, Sadri Sen
• Revista științifică: Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials
• Anul publicării: 2017
• DOI: 10.1016/j.jmbbm.2017.07.035
• PMID: 28759838

2. Context științific

Dezvoltarea scaffoldurilor cu porozitate ridicată reprezintă o direcție importantă în ingineria țesutului osos, deoarece aceste biomateriale trebuie să ofere atât rezistență mecanică adecvată, cât și condiții favorabile proceselor biologice implicate în regenerarea osoasă. Dincolo de capacitatea de a suporta solicitările mecanice, aceste structuri trebuie să permită circulația fluidelor prin rețeaua poroasă, facilitând schimbul de nutrienți și stimulii mecanici exercitați asupra celulelor.

În implantologia dentară, chirurgia orală și reconstrucția osoasă, proiectarea arhitecturii interne a scaffoldurilor capătă o importanță tot mai mare. Geometria internă poate influența simultan rigiditatea, rezistența la compresiune, permeabilitatea și distribuția tensiunilor generate de curgerea fluidelor. Studiul de față analizează aceste aspecte prin compararea a două configurații structurale diferite utilizând metode avansate de simulare numerică.

3. Obiectivul studiului

Scopul principal al studiului a fost compararea a două arhitecturi de scaffold cu porozitate ridicată – una de tip gyroid și alta bazată pe o structură reticulară cu celule dreptunghiulare – pentru a evalua influența porozității asupra proprietăților mecanice și a caracteristicilor de transport al fluidelor.

Autorii au urmărit analiza modulului de elasticitate, a rezistenței la compresiune, a permeabilității și a tensiunii tangențiale induse de curgerea fluidelor, în vederea identificării modelelor care reproduc cel mai fidel proprietățile osului trabecular.

4. Metodologie

Acesta este un studiu preclinic de modelare computațională, bazat pe analiza prin metoda elementelor finite (Finite Element Analysis – FEA) și pe dinamica computațională a fluidelor (Computational Fluid Dynamics – CFD).

Au fost proiectate două tipuri de scaffold, fiecare fiind analizat la șase niveluri de porozitate (65%, 70%, 75%, 80%, 85% și 90%), rezultând un total de douăsprezece modele numerice.

Simulările au permis evaluarea modulului de elasticitate efectiv, a deformării sub încărcare statică, a rezistenței la compresiune conform criteriului Von Mises, a pierderii de presiune, a permeabilității calculate prin legea lui Darcy și a tensiunii tangențiale exercitate asupra pereților interni de curgerea fluidelor.

În informațiile disponibile nu sunt descrise experimente de laborator, studii pe animale sau investigații clinice.

5. Rezultatele principale

Pentru ambele arhitecturi analizate, creșterea porozității a fost asociată cu o reducere progresivă a proprietăților mecanice. Modelele cu porozitate mai mare au prezentat valori mai mici ale modulului lui Young și o rezistență redusă la compresiune.

Comparând structurile cu același grad de porozitate, scaffoldurile cu arhitectură reticulară au demonstrat o rigiditate și o rezistență mecanică superioare celor de tip gyroid.

Au fost observate diferențe și în ceea ce privește comportamentul fluidelor. La același nivel de porozitate, modelele reticulare au prezentat o permeabilitate mai mare și valori mai reduse ale tensiunii tangențiale la nivelul pereților comparativ cu structurile gyroid.

Simulările au arătat, de asemenea, că o porozitate mai ridicată favorizează permeabilitatea și reduce tensiunile tangențiale în ambele tipuri de arhitecturi. Pe baza corelării rezultatelor mecanice și hidrodinamice, autorii au identificat modelele care reproduc cel mai bine caracteristicile osului spongios.

6. Analiză clinică

Deși studiul este bazat exclusiv pe simulări numerice, acesta oferă informații relevante pentru dezvoltarea viitoarelor biomateriale destinate regenerării osoase. Rezultatele evidențiază faptul că performanța unui scaffold nu depinde doar de gradul de porozitate, ci și de organizarea geometrică a structurii sale interne.

Din perspectiva implantologiei dentare și a chirurgiei orale, aceste observații subliniază necesitatea proiectării unor biomateriale care să asigure un echilibru între stabilitatea mecanică și capacitatea de transport al fluidelor. O structură suficient de rezistentă trebuie să permită, în același timp, un mediu intern favorabil schimburilor biologice implicate în procesul de regenerare osoasă.

Este important de subliniat că aceste concluzii provin exclusiv din modele computaționale. Aplicabilitatea lor clinică necesită validare experimentală și studii biologice suplimentare înainte de a putea fi extrapolate în practica medicală.

7. Aplicații clinice

Rezultatele acestui studiu pot contribui la proiectarea scaffoldurilor utilizate în regenerarea osoasă din implantologia dentară, chirurgia orală și chirurgia reconstructivă.

Datele obținute pot sprijini optimizarea biomaterialelor fabricate prin imprimare 3D sau tehnologii CAD/CAM, urmărind obținerea unui echilibru între rezistența mecanică și permeabilitatea necesară schimburilor biologice. Totuși, studiul reprezintă o etapă de dezvoltare inginerească și nu oferă dovezi clinice suficiente pentru recomandări terapeutice.

8. Nivelul dovezilor, limitări și transparență

Această publicație reprezintă un studiu preclinic de modelare computațională, bazat pe analiza prin metoda elementelor finite și pe dinamica computațională a fluidelor.

Nivelul dovezilor este limitat, deoarece informațiile disponibile nu includ validări experimentale, studii pe animale sau cercetări clinice.

Limitările metodologice nu sunt descrise în rezumatul disponibil. De asemenea, nu sunt menționate conflicte de interese sau relații ale autorilor cu producători de biomateriale.

Rezultatele trebuie interpretate ca date inginerești care necesită confirmare experimentală înainte de o eventuală aplicare clinică.

9. Punctele-cheie ale studiului

• Tipul studiului: Studiu preclinic de modelare computațională.
• Nivelul dovezilor: Cercetare preclinică.
• Populația sau numărul studiilor analizate: Nu se aplică.
• Numărul de pacienți sau implanturi: Nespecificat în informațiile disponibile.
• Perioada de urmărire: Nu se aplică.
• Principalul criteriu evaluat: Influența porozității și a arhitecturii scaffoldului asupra proprietăților mecanice, permeabilității și tensiunii tangențiale la nivelul pereților.
• Rezultatul principal: Scaffoldurile cu arhitectură reticulară au prezentat o rezistență mecanică mai mare și o permeabilitate superioară comparativ cu structurile gyroid la același nivel de porozitate.
• Concluzia științifică: Anumite configurații structurale reproduc mai fidel proprietățile mecanice și de transport ale osului trabecular.
• Limitări: Studiu exclusiv computațional, fără validare experimentală sau clinică.

10. Impact științific

Acest studiu contribuie la aprofundarea cunoștințelor privind influența arhitecturii interne asupra performanței mecanice și hidrodinamice a scaffoldurilor cu porozitate ridicată. Prin integrarea analizei mecanice cu simulările de curgere a fluidelor, autorii demonstrează că evaluarea unui biomaterial trebuie să ia în considerare simultan mai mulți parametri funcționali.

Comparația dintre arhitecturile gyroid și reticulară evidențiază faptul că două structuri cu aceeași porozitate pot avea comportamente diferite în funcție de geometria lor internă. Aceste rezultate oferă o bază solidă pentru dezvoltarea unor scaffolduri personalizate destinate regenerării osoase și susțin direcțiile viitoare de cercetare experimentală.

11. Concluzie editorială

Acest studiu de modelare computațională evidențiază rolul esențial al arhitecturii interne în determinarea echilibrului dintre rezistența mecanică și transportul fluidelor în scaffoldurile cu porozitate ridicată. Rezultatele arată că geometria influențează în mod semnificativ comportamentul funcțional al acestor biomateriale și reprezintă un aspect important în proiectarea viitoarelor structuri pentru regenerarea osoasă. Deși este necesară validarea experimentală, cercetarea oferă o bază valoroasă pentru optimizarea scaffoldurilor utilizate în implantologia dentară și chirurgia reconstructivă.