Mechanobiological model of bone tissue regeneration on scaffolds

Abstract

Abstract. Scaffolds are one of the most used strategies of tissue engineering in the treatment of bone defects; they help to meet the mechanical function of load bearing that bones play in the human body. The design and fabrication of scaffolds made of biodegradable polymers is of particular interest. As they erode, scaffolds leave empty space that can be occupied by new regenerated bone. For the scaffold to meet the clinical requirements, it is vital to pay attention to the design of the geometry of the implant’s porous structure, the manufacturing technique, and performance of the scaffold once implanted. To enter in this field, the development of a mechanobiological model of bone regeneration process on scaffolds is presented here. In this thesis, we are obtaining an irregular three-dimensional pattern using a reaction-diffusion. Degradation of a representative volume element of the scaffold is studied due to a hydrolysis process, and the regeneration of bone tissue on the scaffold is modeled. Finally, some scaffolds are manufactured using additive manufacturing to study its mechanical properties. In conclusion, it is found that the proposed geometry can be useful for the design of scaffolds and may be considered for future designs and experimental work in order to develop biodegradable scaffolds similar to trabecular bone.

Los andamios son una de las estrategias de la ingeniería de tejidos que más se usa en el tratamiento de defectos óseos. Ellos ayudan a suplir la función mecánica de soporte de carga que desempeñan los huesos. El diseño y fabricación de andamios hechos de polímeros biodegradables resulta de especial interés. Mientras ellos se erosionan, dejan espacio vacío que puede ser ocupado por el nuevo hueso regenerado. Para lograr un andamio que cumpla los requerimientos clínicos se debe prestar atención al diseño de la geometría de la estructura porosa del implante, la técnica de fabricación y el desempeño del andamio una vez implantado. Para incursionar en este campo, se plantea el desarrollo de un modelo mecanobiológico del proceso de regeneración ósea sobre scaffolds. En esta tesis se desarrolla la obtención de un patrón tridimensional irregular usando un sistema reacción-difusión, se estudia la degradación de un elemento representativo del volumen del andamio debido a un efecto de hidrólisis y se modela la regeneración de tejido óseo sobre el andamio. Finalmente, se fabrican algunos andamios mediante manufactura aditiva para revisar sus propiedades mecánicas. En conclusión, se encuentra que la geometría propuesta puede ser útil para el diseño de los andamios y puede ser considerada para futuros diseños y pruebas experimentales que ayuden a desarrollar andamios biodegradables similares al hueso trabecular.