A computational approach for modeling mechano-driven regeneration in ceramic porous scaffolds

Bone is a dynamic tissue with intrinsic regenerative capacity, yet large defects often exceed its healing potential. Bone tissue engineering (BTE) addresses this limitation by developing scaffolds that integrate mechanical and biological requirements. Among design strategies, TPMS-based (Triply Periodic Minimal Surface) scaffolds represent a particularly promising class of lattice structures due to their mathematically defined architecture that enables precise control of porosity, pore size and connectivity, all critical to bone regeneration. In this framework, the present thesis investigates the regenerative potential of five TPMS architectures (Primitive, Gyroid, IWP, Lidinoid and Diamond), analyzed in both sheet and network configurations, through the mechano-driven computational model proposed by Nasello et al., which couples mechanical stimuli with cell invasion. Simulations were carried out on representative unit cells designed via a parametric approach that allowed systematic variation of architecture, configuration and porosity. Uniaxial compression computational tests were performed on the model to explore multiple loading scenarios over a 12 weeks period and were complemented by morphometric characterization. In agreement with values reported in the literature, results indicated that porosity in the 70–80% range provided an optimal balance between regeneration and mechanical stability. Connectivity proved to be crucial: network scaffolds generally showed faster regeneration dynamics, with the Primitive network consistently demonstrating the most favorable regeneration outcomes across porosity levels. This performance could be attributed to its favorable architecture, which ensures both optimal local strain distribution and high connectivity, thereby enhancing cell invasion. Hence, this work highlights how scaffold design parameters, such as porosity, connectivity and architecture, influence bone regeneration and it underscores the value of in silico approaches as predictive tools to accelerate scaffold development and improve outcomes in BTE.

Il tessuto osseo possiede una capacità intrinseca di riparazione che permette di recuperare le proprietà meccaniche originarie senza formazione di tessuto cicatriziale. Tuttavia, questo processo spontaneo risulta compromesso in difetti che superano dimensioni critiche. In questo ambito si inserisce la bioingegneria dei tessuti ossei (BTE) che si occupa di sviluppare scaffold al fine di modulare la risposta meccanica e biologica in ambito osseo. Tra le varie strategie progettuali proposte, emergono scaffold basati su Tripli-Periodiche a Minima Superficie (TPMS). Questi ultimi rappresentano una classe di strutture porose periodiche definite mediante equazioni parametriche al fine di garantire adeguata controllabilità di fattori quali porosità, dimensione dei pori e connettività. In questo contesto, la seguente tesi indaga il potenziale rigenerativo di cinque architetture TPMS (Primitive, Gyroid, IWP, Lidinoid e Diamond), analizzate nelle configurazioni sheet e network, mediante un modello computazionale meccanobiologico proposto da Nasello et al. . Tale modello combina la risposta meccanica e biologica di invasione cellulare. Le simulazioni sono state condotte su celle unitarie, ottenute mediante un approccio parametrico che consente di variare sistematicamente architettura, configurazione e porosità. Sono stati eseguiti test di compressione uniassiale con diverse condizioni di carico in un dominio temporale di 12 settimane. In aggiunta, gli scaffolds sono stati sottoposti ad una caratterizzazione morfometrica. In accordo con i valori riportati in letteratura, i risultati ottenuti attestano che una porosità compresa tra il 70 e l’80% rappresenta un compromesso ottimale tra rigenerazione e stabilità meccanica. La connettività risulta determinante nell'influenzare la dinamica rigenerativa; in particolare gli scaffold di tipo network generalmente presentano tempi di rigenerazione più rapidi e la Primitive network ottiene in assoluto le migliori prestazioni. Tali prestazioni sono da attribuire alla sua architettura, in grado di garantire una distribuzione ottimale delle deformazioni locali ed un’elevata connettività, promuovendo la migrazione delle cellule all'interno delle porosità. In sintesi, questo lavoro evidenzia come i parametri che influenzano lo scaffold, quali porosità, connettività e architettura, abbiano un impatto sulla rigenerazione ossea, sottolineando il valore degli approcci in silico come strumenti predittivi al fine di ottimizzare la progettazione degli scaffold in BTE.