The growing incidence of bone fractures and diseases like osteoporosis necessitates effective bone regeneration solutions. Current treatments have limitations, triggering interest in bone scaffolds, three-dimensional structures that facilitate new tissue growth. This study aimed to develop bone scaffolds using a biomimetic approach, based on geometrical analysis of synchrotron scans of trabecular healthy and osteoporotic samples. A generative design method, built on Voronoi tessellation, was employed to design simplified and controllable geometries while maintaining native bone porosity. Xolography, a cutting-edge 3D printing technology, which shows high resolution and speed, was considered to fabricate the scaffolds using new hydrogels, based on different combinations of the photocrosslinkable polymers polyethylene glycol diacrylate (PEGDA) and dimethacrylate (PEGDMA), functionalized by the peptide sequence for cell adhesion arginine-glycine-aspartate (RGD). Printing protocols were developed and the materials were characterized for mechanical properties and biocompatibility. Higher percentages of PEGDMA showed higher cell viability but lower printing resolution. 30%PEGDA-10%PEGDMA was selected for the scaffold printing, as a compromise between resolution and cytocompatibility. Computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed to study scaffold permeability and shear stress under perfusion bioreactor conditions. Optimal fluid inlet velocities were determined to generate a shear stress on the scaffold surface that promotes mesenchymal stem cells differentiation and mineralization, ranging from 0.15 to 0.25 mm/s, compatible with commercially available syringe or peristaltic pumps. Scaffold permeability ranged from 3.54 x 10-8 to 19.0 x 10-8 m2, similar to native trabecular bone. Bone scaffolds with porosity typical of osteoporotic condition showed higher permeability, but lower shear stress, exhibiting more areas within the osteogenic range without stimulated mineralization than those of the healthy group: this could be related to the reduced bone density characteristic of osteoporotic bone.

La crescente diffusione di fratture ossee e patologie come l’osteoporosi richiede soluzioni efficaci. I trattamenti usati oggi presentano svantaggi, che spingono la ricerca verso gli scaffold ossei, strutture tridimensionali che facilitano la crescita di nuovo osso. Questo studio ha l’obbiettivo di sviluppare scaffold con un approccio biomimetico, basato sull’analisi di scansioni di ossa sane e osteoporotiche. Attraverso un metodo di design generativo, basato sulla tassellazione di Voronoi, sono state create geometrie semplificate che mantengono la porosità dell’osso originale. La xolografia, una tecnologia di manifattura additiva all’avanguardia ad alta risoluzione e velocità, è stata utilizzata per fabbricare gli scaffold usando nuovi idrogeli formati da diverse combinazioni dei polimeri fotosensibili polietilene glicole diacrilato (PEGDA) e dimetacrilato (PEGDMA), funzionalizzati con l’acido arginilglicilaspartico (RGD), che promuove l’adesione cellulare. Sono stati sviluppati i protocolli di stampa per questi materiali, che sono poi stati caratterizzati meccanicamente e biologicamente. Una maggiore percentuale di PEGDMA è stata associata ad migliore citocompatibilità, ma minore risoluzione di stampa. La combinazione 30%PEGDA-10%PEGDMA, rappresentando un compromesso tra risoluzione e vitalità cellulare, è stata selezionata per la stampa degli scaffold. Inoltre, simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) di perfusione in un bioreattore hanno permesso di studiare la permeabilità e la distribuzione degli sforzi di taglio sugli scaffold. Valori di velocità del fluido in ingresso tra 0.15 e 0.25 mm/s generano sforzi di taglio che promuovono il differenziamento di cellule mesenchimali staminali e la mineralizzazione. La permeabilità varia tra 3.54 x 10-8 e 19.0 x 10-8 m2, valori simili all’osso naturale. Inoltre, gli scaffold con porosità tipica dell’osso osteoporotico hanno maggiore permeabilità, ma minori sforzi di taglio, con aree con valori nel range osteogenico senza stimolazione della mineralizzazione più estese rispetto agli scaffold del gruppo sano: questo potrebbe essere legato alla minore densità ossea tipica dell’osso osteoporotico.

Tailoring bone regeneration through the synergy of generative design, xolography and computational fluid dynamics

Maggi, Linda
2023/2024

Abstract

The growing incidence of bone fractures and diseases like osteoporosis necessitates effective bone regeneration solutions. Current treatments have limitations, triggering interest in bone scaffolds, three-dimensional structures that facilitate new tissue growth. This study aimed to develop bone scaffolds using a biomimetic approach, based on geometrical analysis of synchrotron scans of trabecular healthy and osteoporotic samples. A generative design method, built on Voronoi tessellation, was employed to design simplified and controllable geometries while maintaining native bone porosity. Xolography, a cutting-edge 3D printing technology, which shows high resolution and speed, was considered to fabricate the scaffolds using new hydrogels, based on different combinations of the photocrosslinkable polymers polyethylene glycol diacrylate (PEGDA) and dimethacrylate (PEGDMA), functionalized by the peptide sequence for cell adhesion arginine-glycine-aspartate (RGD). Printing protocols were developed and the materials were characterized for mechanical properties and biocompatibility. Higher percentages of PEGDMA showed higher cell viability but lower printing resolution. 30%PEGDA-10%PEGDMA was selected for the scaffold printing, as a compromise between resolution and cytocompatibility. Computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed to study scaffold permeability and shear stress under perfusion bioreactor conditions. Optimal fluid inlet velocities were determined to generate a shear stress on the scaffold surface that promotes mesenchymal stem cells differentiation and mineralization, ranging from 0.15 to 0.25 mm/s, compatible with commercially available syringe or peristaltic pumps. Scaffold permeability ranged from 3.54 x 10-8 to 19.0 x 10-8 m2, similar to native trabecular bone. Bone scaffolds with porosity typical of osteoporotic condition showed higher permeability, but lower shear stress, exhibiting more areas within the osteogenic range without stimulated mineralization than those of the healthy group: this could be related to the reduced bone density characteristic of osteoporotic bone.
CASTILHO, MIGUEL
STOECKER, LENA
VERGANI, LAURA MARIA
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
11-dic-2024
2023/2024
La crescente diffusione di fratture ossee e patologie come l’osteoporosi richiede soluzioni efficaci. I trattamenti usati oggi presentano svantaggi, che spingono la ricerca verso gli scaffold ossei, strutture tridimensionali che facilitano la crescita di nuovo osso. Questo studio ha l’obbiettivo di sviluppare scaffold con un approccio biomimetico, basato sull’analisi di scansioni di ossa sane e osteoporotiche. Attraverso un metodo di design generativo, basato sulla tassellazione di Voronoi, sono state create geometrie semplificate che mantengono la porosità dell’osso originale. La xolografia, una tecnologia di manifattura additiva all’avanguardia ad alta risoluzione e velocità, è stata utilizzata per fabbricare gli scaffold usando nuovi idrogeli formati da diverse combinazioni dei polimeri fotosensibili polietilene glicole diacrilato (PEGDA) e dimetacrilato (PEGDMA), funzionalizzati con l’acido arginilglicilaspartico (RGD), che promuove l’adesione cellulare. Sono stati sviluppati i protocolli di stampa per questi materiali, che sono poi stati caratterizzati meccanicamente e biologicamente. Una maggiore percentuale di PEGDMA è stata associata ad migliore citocompatibilità, ma minore risoluzione di stampa. La combinazione 30%PEGDA-10%PEGDMA, rappresentando un compromesso tra risoluzione e vitalità cellulare, è stata selezionata per la stampa degli scaffold. Inoltre, simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) di perfusione in un bioreattore hanno permesso di studiare la permeabilità e la distribuzione degli sforzi di taglio sugli scaffold. Valori di velocità del fluido in ingresso tra 0.15 e 0.25 mm/s generano sforzi di taglio che promuovono il differenziamento di cellule mesenchimali staminali e la mineralizzazione. La permeabilità varia tra 3.54 x 10-8 e 19.0 x 10-8 m2, valori simili all’osso naturale. Inoltre, gli scaffold con porosità tipica dell’osso osteoporotico hanno maggiore permeabilità, ma minori sforzi di taglio, con aree con valori nel range osteogenico senza stimolazione della mineralizzazione più estese rispetto agli scaffold del gruppo sano: questo potrebbe essere legato alla minore densità ossea tipica dell’osso osteoporotico.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/230017