Đánh giá ảnh hưởng của kích thước lỗ rỗng đối với giàn giáo xương in 3D

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

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

Đánh giá ảnh hưởng của kích thước lỗ rỗng đối với giàn giáo xương in 3D

1. Thông tin tài liệu khoa học

• Tên nghiên cứu: Đánh giá ảnh hưởng của kích thước lỗ rỗng đối với giàn giáo xương in 3D 
• Tác giả: Saran Seehanam, Suppakrit Khrueaduangkham, Chomdao Sinthuvanich, Udom Sae-Ueng, Viritpon Srimaneepong, Patcharapit Promoppatum
• Tạp chí khoa học: Heliyon
• Năm xuất bản: 2024
• DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e26005

2. Bối cảnh khoa học

Trong những năm gần đây, công nghệ in 3D kim loại đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực tái tạo xương, cấy ghép nha khoa và phẫu thuật hàm mặt. Các cấu trúc giàn giáo xương (bone scaffolds) có độ xốp cao được thiết kế nhằm tái tạo môi trường thuận lợi cho sự phát triển của mô xương, đồng thời vẫn duy trì khả năng chịu lực cần thiết cho các ứng dụng lâm sàng.

Một trong những thách thức quan trọng trong thiết kế scaffold là xác định kích thước lỗ rỗng tối ưu. Kích thước này có thể ảnh hưởng đến nhiều yếu tố như khả năng sản xuất bằng công nghệ in 3D, tính chất cơ học, sự lưu thông dịch sinh học, khả năng vận chuyển chất dinh dưỡng và sự bám dính của tế bào. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về các cấu trúc xốp dùng trong y sinh, vẫn chưa có sự đồng thuận rõ ràng về kích thước lỗ rỗng lý tưởng.

Trong bối cảnh đó, nghiên cứu này tập trung đánh giá hai kiến trúc scaffold phổ biến là Diamond và Gyroid nhằm xác định ảnh hưởng của kích thước lỗ rỗng đến hiệu năng tổng thể của cấu trúc.

3. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của kích thước lỗ rỗng đến tính phù hợp của các scaffold xương bằng titan được chế tạo bằng công nghệ in 3D cho các ứng dụng cấy ghép y khoa.

Nhóm nghiên cứu khảo sát tác động của kích thước lỗ rỗng đối với khả năng chế tạo, đặc tính cơ học và một số chỉ số sinh học được mô phỏng bằng phương pháp tính toán đối với hai cấu trúc Diamond và Gyroid có cùng mật độ tương đối.

4. Phương pháp nghiên cứu

Đây là một nghiên cứu tiền lâm sàng kết hợp giữa thử nghiệm thực nghiệm và mô phỏng số.

Các scaffold Diamond và Gyroid được chế tạo từ hợp kim titan Ti-6Al-4V bằng công nghệ Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Tất cả các mẫu được thiết kế với mật độ tương đối cố định là 0,3, trong khi kích thước lỗ rỗng được thay đổi từ 300 μm đến 1300 μm.

Các phương pháp đánh giá bao gồm:

• Phân tích khả năng chế tạo của cấu trúc.
• Thử nghiệm nén để đánh giá tính chất cơ học.
• Mô phỏng phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis).
• Mô phỏng động lực học chất lưu tính toán (CFD) sử dụng mô hình chất lỏng phi Newton.
• Mô phỏng hiệu quả gieo tế bào bằng mô hình pha rời rạc (Discrete Phase Model).

Không có dữ liệu thử nghiệm trên động vật hoặc nghiên cứu lâm sàng trên người được báo cáo trong các thông tin được cung cấp.

5. Kết quả chính

Kết quả cho thấy khi kích thước lỗ rỗng giảm, mật độ thực tế của các cấu trúc sau khi in tăng lên ở cả hai loại kiến trúc. Tuy nhiên, cấu trúc Gyroid thể hiện độ chính xác sản xuất cao hơn do mật độ thực tế gần với giá trị thiết kế ban đầu hơn so với Diamond.

Về mặt cơ học, mô đun đàn hồi hầu như không bị ảnh hưởng đáng kể bởi kích thước lỗ rỗng. Ngược lại, hành vi của vật liệu sau giới hạn chảy thay đổi rõ rệt, đặc biệt ở cấu trúc Diamond. Các mô phỏng số cho thấy ứng suất tập trung mạnh tại các nút giao của cấu trúc Diamond, trong khi ứng suất được phân bố đồng đều hơn trong cấu trúc Gyroid.

Các mô phỏng CFD cho thấy tổn thất áp suất tăng đáng kể khi kích thước lỗ rỗng giảm. Đồng thời, các lỗ rỗng nhỏ hơn lại làm tăng hiệu quả bám giữ tế bào trong mô hình mô phỏng. Bằng cách kết hợp diện tích bề mặt riêng, tổn thất áp suất và hiệu quả gieo tế bào vào một chỉ số tổng hợp, nhóm nghiên cứu xác định kích thước lỗ rỗng tối ưu vào khoảng 500 μm đối với cả hai loại cấu trúc.

6. Phân tích lâm sàng

Mặc dù đây không phải là nghiên cứu lâm sàng, các kết quả thu được mang lại nhiều thông tin hữu ích cho việc phát triển các vật liệu thay thế xương và implant thế hệ mới.

Một trong những điểm đáng chú ý là nghiên cứu cho thấy kích thước lỗ rỗng ảnh hưởng đồng thời đến nhiều yếu tố chức năng của scaffold. Các lỗ rỗng nhỏ tạo ra diện tích bề mặt lớn hơn, giúp tăng khả năng tương tác và bám dính của tế bào. Tuy nhiên, điều này cũng làm tăng sức cản dòng chảy của dịch sinh học bên trong cấu trúc. Ngược lại, các lỗ rỗng lớn hơn cải thiện khả năng lưu thông dịch và vận chuyển chất dinh dưỡng nhưng làm giảm diện tích bề mặt dành cho sự bám dính tế bào.

Kết quả so sánh giữa hai kiến trúc cũng rất đáng quan tâm. Cấu trúc Gyroid cho thấy khả năng sản xuất ổn định hơn, phân bố ứng suất đồng đều hơn và đạt điểm đánh giá tổng thể cao hơn trong mô hình do các tác giả xây dựng. Điều này gợi ý rằng Gyroid có thể là một lựa chọn triển vọng trong thiết kế scaffold phục vụ tái tạo xương và cấy ghép cá thể hóa.

Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng các kết luận liên quan đến phản ứng sinh học chủ yếu dựa trên mô phỏng số. Vì vậy, các kết quả này chưa thể được xem là bằng chứng trực tiếp về hiệu quả lâm sàng.

7. Ứng dụng lâm sàng

Kết quả nghiên cứu có thể hữu ích trong các lĩnh vực:

• Thiết kế scaffold xương in 3D.
• Phát triển implant titan có cấu trúc xốp.
• Phẫu thuật tái tạo xương hàm mặt.
• Nghiên cứu về tích hợp xương (osseointegration).
• Thiết kế implant cá thể hóa bằng công nghệ CAD/CAM.
• Y học tái tạo và kỹ thuật mô.
• Phục hồi chức năng bằng implant nha khoa trong tương lai.

Những dữ liệu này có thể hỗ trợ tối ưu hóa thiết kế của các thiết bị cấy ghép xương được sản xuất bằng công nghệ in 3D.

8. Mức độ bằng chứng, hạn chế và tính minh bạch

Nghiên cứu này được xếp vào nhóm nghiên cứu tiền lâm sàng có kết hợp mô phỏng tính toán.

Mức độ bằng chứng còn hạn chế do các kết luận về hiệu quả sinh học chủ yếu dựa trên mô hình số, không dựa trên dữ liệu lâm sàng hoặc thử nghiệm in vivo.

Các tác giả cho rằng việc sử dụng mô phỏng số cho phép đánh giá nhanh nhiều phương án thiết kế khác nhau mà không cần thực hiện ngay các nghiên cứu sinh học tốn kém về thời gian và chi phí.

Về tính minh bạch, một trong các tác giả có liên kết với công ty OsseoLabs Co. Ltd. theo thông tin về đơn vị công tác được nêu trong bài báo. Tuy nhiên, các dữ liệu được cung cấp không bao gồm tuyên bố chi tiết về xung đột lợi ích.

9. Những điểm chính của nghiên cứu

• Loại nghiên cứu: Nghiên cứu tiền lâm sàng thực nghiệm và mô phỏng tính toán
• Mức độ bằng chứng: Tiền lâm sàng
• Đối tượng nghiên cứu hoặc số lượng nghiên cứu phân tích: Không áp dụng
• Số lượng bệnh nhân hoặc implant: Không được nêu trong dữ liệu cung cấp
• Thời gian theo dõi: Không áp dụng
• Tiêu chí đánh giá chính: Ảnh hưởng của kích thước lỗ rỗng đến khả năng chế tạo, tính chất cơ học và phản ứng sinh học mô phỏng
• Kết quả nổi bật: Kích thước lỗ rỗng tối ưu khoảng 500 μm
• Kết luận khoa học: Cấu trúc Gyroid cho thấy tiềm năng phù hợp hơn so với cấu trúc Diamond trong vai trò scaffold xương
• Hạn chế chính: Chưa có xác nhận sinh học hoặc lâm sàng trực tiếp

10. Tác động khoa học

Nghiên cứu này đóng góp đáng kể vào hiểu biết về mối quan hệ giữa thiết kế hình học và hiệu năng của các scaffold kim loại được sản xuất bằng công nghệ in 3D.

Điểm mạnh nổi bật của công trình là cách tiếp cận đa ngành khi kết hợp đánh giá cơ học, động lực học chất lưu và tương tác tế bào trong cùng một khung phân tích. Điều này cho phép đánh giá toàn diện hơn hiệu năng tiềm năng của scaffold so với các nghiên cứu chỉ tập trung vào một yếu tố riêng lẻ.

Ngoài ra, kết quả tiếp tục củng cố sự quan tâm của cộng đồng khoa học đối với các cấu trúc TPMS, đặc biệt là kiến trúc Gyroid. Nghiên cứu cũng đề xuất một phương pháp đánh giá có thể hỗ trợ quá trình tối ưu hóa thiết kế scaffold trước khi tiến hành các nghiên cứu sinh học và lâm sàng chuyên sâu hơn.

11. Kết luận biên tập

Nghiên cứu tiền lâm sàng này cho thấy kích thước lỗ rỗng là một thông số thiết kế quan trọng đối với các scaffold xương titan được chế tạo bằng công nghệ in 3D. Thông qua việc kết hợp các phân tích cơ học, mô phỏng dòng chảy và mô hình gieo tế bào, các tác giả đã xác định kích thước lỗ rỗng khoảng 500 μm là sự cân bằng hợp lý trong các điều kiện được khảo sát. Trong số hai kiến trúc được đánh giá, Gyroid cho thấy hiệu năng tổng thể thuận lợi hơn. Tuy nhiên, cần có thêm các nghiên cứu sinh học và lâm sàng để xác nhận ý nghĩa thực tiễn của những kết quả này trong điều trị lâm sàng.