Hierarchical bio-inspired scaffolds to improve bone regeneration

Large bone defects from trauma, resection, infection, osteoporosis, and other bone-metabolic diseases pose major therapeutic challenges: they degrade bone quality, disrupt remodelling and vascularisation, and compromise fixation and graft incorporation. Autografts and allografts are effective but limited by donor-site morbidity, scarce supply, and poor anatomical fit. Bone tissue engineering (BTE) addresses these constraints with the scaffold–cells–signals triad, creating a pro-regenerative microenvironment. Bio-inspired, hierarchical scaffolds are designed to balance transport, mechanics, and mechanobiological cues. Two archetypes were fabricated by two-photon polymerisation (2PP): a regular, channelised lattice and a stochastic, tortuous network. A static culture campaign of hBMSCs was performed on both scaffold types, followed by SR-μCT to evaluate adhesion and matrix deposition. A CFD screening compared free-flow and forced-flow regimes, quantifying velocity, pressure drop (Δp), permeability (k), and wall shear stress (WSS). At equal porosity, architecture governs the WSS distribution: the regular geometry channels jets with localised hotspots, whereas the stochastic geometry disperses trajectories and broadens the stimulated surface. Switching to forced flow shifts stimulation inward, perfusing the full volume at the cost of higher Δp and WSS. The integrated imaging–CFD analysis highlights two points. First, enlarging pore diameters can promote permeability and infiltration, allowing more fluid to enter the scaffold, but inflow must then be recalibrated to keep WSS within the desired range and avoid local overstimulation. Second, highly interconnected TPMS geometries (e.g., Schwarz P) help distribute WSS more evenly along the surface, attenuating hotspots and making the mechanical stimulation perceived by cells more uniform. Overall, the end-to-end pipeline—from design to printing, imaging, and CFD—does not merely describe system behaviour; it translates transport and shear metrics into practical guidelines for perfused culture and paves the way for site-specific scaffolds with real clinical applicability.

I difetti ossei di grandi dimensioni dovuti a trauma, resezione, infezione o osteoporosi degradano la qualità dell’osso, interrompono rimodellamento e vascolarizzazione e compromettono fissazione e integrazione dell’innesto. Autoinnesti e allotrapianti restano efficaci ma sono limitati da morbilità del sito donatore e scarsa disponibilità. L’ingegneria dei tessuti ossei (BTE) affronta questi limiti con la triade scaffold–cellule–segnali, ricreando un microambiente pro-rigenerativo. Gli scaffold gerarchici bio-ispirati sono progettati per bilanciare trasporto, meccanica e segnali meccanobiologici. In questo lavoro sono state realizzate due architetture tramite stampa 3D con polimerizzazione a due fotoni (2PP): un reticolo regolare canalizzato e una rete stocastica tortuosa, che mima la distribuzione e l’interconnettività canalicolare. Per entrambi i tipi di scaffold è stata condotta una coltura statica di hBMSC, seguita da SR-μCT per valutare adesione e deposizione di matrice. Uno screening CFD ha confrontato flusso libero e flusso forzato, quantificando velocità, Δp, permeabilità (k) e wall shear stress (WSS). A parità di porosità, è l’architettura a governare la distribuzione del WSS: la geometria regolare incanala getti con hotspot localizzati, mentre quella stocastica disperde le traiettorie e amplia la superficie stimolata. Il passaggio al flusso forzato sposta la stimolazione verso l’interno e perfonde l’intero volume, a fronte di Δp e WSS più elevati. Dall’analisi integrata imaging–CFD emergono due indicazioni: aumentare i diametri dei pori favorisce permeabilità e infiltrazione (più fluido entra nello scaffold), ma richiede poi una ritaratura del flusso in ingresso per mantenere il WSS nel range desiderato ed evitare sovrastimoli locali; inoltre, geometrie TPMS ad alta interconnessione (es. Schwarz P) aiutano a distribuire il WSS lungo la superficie, attenuando gli hotspot e rendendo più uniforme la stimolazione meccanica percepita dalle cellule. In questo contesto, la pipeline end-to-end — dalla progettazione alla stampa, fino a imaging e CFD — non si limita a descrivere il sistema: traduce metriche di trasporto e shear in indicazioni pratiche per la coltura perfusa e apre la strada a scaffold sito-specifici realmente applicabili in clinica.