Evaluarea efectului dimensiunii porilor asupra scaffoldurilor osoase imprimate 3D

Saran Seehanam, Suppakrit Khrueaduangkham, Chomdao Sinthuvanich, Udom Sae-Ueng, Viritpon Srimaneepong, Patcharapit Promoppatum

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38375289/

Evaluarea efectului dimensiunii porilor asupra scaffoldurilor osoase imprimate 3D

1. Referință științifică

• Titlul studiului: Evaluarea efectului dimensiunii porilor asupra scaffoldurilor osoase imprimate 3D 
• Autori: Saran Seehanam, Suppakrit Khrueaduangkham, Chomdao Sinthuvanich, Udom Sae-Ueng, Viritpon Srimaneepong, Patcharapit Promoppatum
• Revistă științifică: Heliyon
• Anul publicării: 2024
• DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e26005

2. Context științific

Dezvoltarea structurilor poroase destinate regenerării osoase reprezintă un domeniu de interes major în implantologie, chirurgia orală și maxilo-facială, precum și în ingineria tisulară. Evoluția tehnologiilor de fabricație aditivă permite realizarea unor structuri metalice complexe, capabile să ofere atât rezistență mecanică, cât și condiții favorabile integrării biologice.

În cadrul reabilitării implanto-protetice și al reconstrucțiilor osoase, geometria internă a unui scaffold influențează procese esențiale precum distribuția sarcinilor mecanice, circulația fluidelor, migrarea celulară și formarea țesutului osos nou. Printre parametrii de proiectare, dimensiunea porilor este considerată un factor determinant, deoarece poate modifica simultan comportamentul mecanic și răspunsul biologic al structurii.

Deși numeroase studii au investigat arhitecturile poroase utilizate în implanturile medicale, nu există încă un consens clar privind dimensiunea optimă a porilor. În acest context, autorii au analizat două arhitecturi utilizate frecvent în cercetarea biomedicală: Diamond și Gyroid.

3. Obiectivul studiului

Obiectivul principal al acestui studiu a fost evaluarea influenței dimensiunii porilor asupra adecvării scaffoldurilor osoase fabricate prin imprimare 3D pentru aplicații medicale și implantare.

Autorii au urmărit să determine impactul dimensiunii porilor asupra fabricabilității, proprietăților mecanice și unor parametri biologici estimați prin simulări numerice pentru structurile Diamond și Gyroid realizate la aceeași densitate relativă.

4. Metodologie

Studiul este unul preclinic, bazat pe experimente de laborator și simulări numerice avansate.

Structurile Diamond și Gyroid au fost fabricate din aliaj de titan Ti-6Al-4V utilizând tehnologia Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Toate modelele au fost proiectate cu o densitate relativă constantă de 0,3, în timp ce dimensiunea porilor a variat între 300 μm și 1300 μm.

Evaluarea a inclus:

• analiza preciziei și a posibilității de fabricație a structurilor;
• teste mecanice la compresiune;
• simulări prin metoda elementelor finite;
• simulări CFD (Computational Fluid Dynamics) utilizând un model de fluid non-newtonian;
• simulări ale eficienței însămânțării celulare prin modele de fază discretă.

În informațiile furnizate nu sunt raportate studii clinice pe pacienți și nici experimente pe animale.

5. Rezultate principale

Rezultatele au arătat că reducerea dimensiunii porilor a determinat creșterea densității reale a structurilor fabricate pentru ambele arhitecturi analizate. Cu toate acestea, structurile Gyroid au prezentat o fidelitate mai bună între modelul proiectat și produsul final, ceea ce sugerează o fabricabilitate superioară.

Din punct de vedere mecanic, modulul elastic a fost influențat într-o măsură redusă de dimensiunea porilor. În schimb, comportamentul post-elastic a prezentat variații semnificative, în special în cazul structurilor Diamond. Simulările numerice au evidențiat concentrații locale de tensiuni la nivelul conexiunilor dintre elementele structurale Diamond, în timp ce structurile Gyroid au prezentat o distribuție mai uniformă a tensiunilor.

Analizele CFD au demonstrat, de asemenea, că scăderea dimensiunii porilor conduce la o creștere importantă a pierderii de presiune. În același timp, porii mai mici au favorizat o eficiență mai mare a însămânțării celulare simulate. Prin combinarea suprafeței specifice, a pierderii de presiune și a eficienței de însămânțare celulară într-un singur indicator, autorii au identificat o dimensiune optimă a porilor de aproximativ 500 μm pentru ambele arhitecturi.

6. Analiză clinică

Deși nu este un studiu clinic, cercetarea oferă informații relevante pentru dezvoltarea viitoare a implanturilor poroase și a materialelor destinate regenerării osoase.

Unul dintre cele mai importante aspecte evidențiate este existența unui compromis între diferitele funcții ale scaffoldului. Porii de dimensiuni reduse cresc suprafața disponibilă pentru interacțiunea celulară și îmbunătățesc eficiența simulată a colonizării celulare, însă limitează circulația fluidelor prin structură. În schimb, porii mai mari facilitează transportul nutrienților și al fluidelor biologice, dar reduc suprafața disponibilă pentru adeziunea celulară.

Compararea celor două arhitecturi oferă, de asemenea, concluzii importante. Structura Gyroid a demonstrat o precizie mai bună în procesul de fabricație, o distribuție mai uniformă a tensiunilor și performanțe globale superioare în cadrul modelului de evaluare utilizat de autori. Aceste caracteristici pot fi relevante pentru dezvoltarea viitoare a implanturilor personalizate realizate prin fluxuri digitale CAD/CAM și tehnologii de imprimare 3D.

Totuși, trebuie subliniat faptul că performanțele biologice au fost estimate prin simulări numerice și nu prin observații histologice sau clinice directe. Prin urmare, rezultatele trebuie interpretate ca un instrument de optimizare a designului și nu ca o dovadă clinică definitivă.

7. Aplicații clinice

Rezultatele acestui studiu pot avea relevanță pentru:

• dezvoltarea scaffoldurilor osoase imprimate 3D;
• proiectarea implanturilor poroase din titan;
• reconstrucția osoasă în chirurgia orală și maxilo-facială;
• cercetarea proceselor de osteointegrare;
• dezvoltarea implanturilor personalizate pentru pacient;
• fluxuri digitale CAD/CAM utilizate în implantologie;
• aplicații viitoare în reabilitarea implanto-protetică și medicina regenerativă.

Aceste date pot contribui la optimizarea designului structurilor poroase destinate regenerării osoase și reconstrucției țesuturilor dure.

8. Nivel de evidență, limitări și transparență

Acest studiu poate fi clasificat ca o cercetare preclinică experimentală cu o componentă importantă de modelare computațională.

Nivelul de evidență este limitat deoarece concluziile biologice se bazează în principal pe simulări numerice și nu pe rezultate obținute în studii clinice sau modele animale.

Autorii menționează că utilizarea simulărilor numerice permite evaluarea rapidă a unui număr mare de configurații, reducând timpul și resursele necesare studiilor biologice extinse.

În ceea ce privește transparența, unul dintre autori este afiliat companiei OsseoLabs Co. Ltd., conform informațiilor prezentate în articol. În materialele furnizate nu este disponibilă o declarație detaliată privind conflictele de interese.

9. Puncte-cheie ale studiului

• Tipul studiului: Studiu preclinic experimental și computațional
• Nivel de evidență: Preclinic
• Populație sau număr de studii analizate: Nu se aplică
• Număr de pacienți sau implanturi: Neprecizat în informațiile furnizate
• Durata urmăririi: Nu se aplică
• Criteriul principal evaluat: Influența dimensiunii porilor asupra fabricabilității, comportamentului mecanic și performanței biologice simulate
• Rezultatul principal: Dimensiune optimă a porilor de aproximativ 500 μm
• Concluzia științifică: Structurile Gyroid au prezentat o adecvare globală mai bună ca scaffolduri osoase comparativ cu structurile Diamond
• Limitări principale: Lipsa validării biologice și clinice directe

10. Impact științific

Acest studiu contribuie la extinderea cunoștințelor privind proiectarea scaffoldurilor metalice poroase fabricate prin tehnologii de imprimare 3D.

Un element deosebit de valoros este abordarea integrată utilizată de autori, care combină evaluarea proprietăților mecanice, a transportului fluidelor și a parametrilor asociați comportamentului celular. Această metodologie permite o analiză mai completă a performanței potențiale a scaffoldurilor decât abordările care se concentrează asupra unui singur criteriu.

Rezultatele susțin, de asemenea, interesul științific crescut pentru structurile de tip TPMS, în special pentru arhitectura Gyroid, care continuă să fie considerată o opțiune promițătoare în domeniul biomaterialelor și al implanturilor personalizate. În plus, studiul propune un cadru de evaluare care poate fi utilizat în viitoarele cercetări pentru optimizarea designului scaffoldurilor înainte de validarea biologică.

11. Concluzie editorială

Acest studiu preclinic evidențiază importanța dimensiunii porilor în proiectarea scaffoldurilor osoase din titan realizate prin imprimare 3D. Prin integrarea analizelor mecanice, a simulărilor de flux și a modelelor de însămânțare celulară, autorii au identificat o dimensiune a porilor de aproximativ 500 μm ca fiind un compromis favorabil în condițiile investigate. Dintre cele două arhitecturi analizate, structura Gyroid a demonstrat cele mai promițătoare performanțe generale. Cu toate acestea, confirmarea relevanței clinice a acestor rezultate necesită studii biologice și clinice suplimentare.