Computational Modelling for Bone Tissue Engineering: A Fluid Dynamics Analysis for Iliac Bone Scaffolds.

Abstract

Bone Tissue Engineering (BTE) has emerged as a clinical research field focused on replacing and healing damaged bone tissue using porous biodegradable scaffolds that provide mechanical support, offering the adhesion sites for the bone cells to proliferate. One aim of Tissue Engineering (TE) is the culture of living cells within devices and scaffolds that create a growth environment mimicking the native tissue as closely as possible. In that regard, some key aspects have been identified as of major relevance: the interactions of cells with the surrounding extra-cellular membrane (ECM) and other cells, in which ECM modulates cell proliferation, differentiation, and metabolic functions; and the influence of environmental factors such as mechanical (e.g., flow-induced effects), electrical and biochemical stimuli. A gap between architecture and biological response of these bone graft substitutes exists because each construct must fulfill specific resorption, bone in-growth and mechanical support parameters, bio-degradation products affect biological response, and the material composition and solubility in terms of degradation rates apply to certain patients and location of implantation. A dense scaffold aims for a increased mechanical role, while a highly porous enhance cell delivery, or a permeable construct favors transport of nutrients and waste products. The optimum scaffold architecture is therefore a relative concept, since different settings optimize different functions and diminish others. As a complement to the in vitro research on the influence of these aspects, the use of detailed mathematical models as a virtual in silico representation of the tissues/scaffolds/bioreactors can be advantageous. These models are designated digital twins and are developed with the objective of providing a more profound characterization of the culture systems/scaffolds as well as optimizing stimulation parameters and predicting experimental outcomes while reducing the time and costs involved. The following work focuses on fluid-induced effects, such as Wall Shear Stress and Permeability, studying its distributions and changes according to different scaffold microarquitectures and dynamic culture conditions.

A Engenharia de Tecidos (ET) surge como um campo de pesquisa biomédica, com principal foco na substituição e cicatrização do tecido ósseo danificado, usando estruturas que forneçam suporte mecânico e locais de adesão celular para a proliferação das células ósseas, conhecidas por scaffolds. Um dos objetivos da Engenharia de Tecidos (ET) é a cultura de células vivas dentro de dispositivos e scaffolds, que criem um ambiente de crescimento mimetizando o tecido nativo. Na cultura celular, destacam-se alguns aspetos: as interações das células com a matriz extracelular envolvente, que modula a proliferação, diferenciação e funções metabólicas celulares; a influência de fatores como estímulos mecânicos (por exemplo, efeitos induzidos pelo fluxo), elétricos e bioquímicos. Existe uma lacuna prática entre a arquitetura e a resposta biológica desses substitutos de enxertos ósseos, uma vez que cada construção deve obedecer a requisitos de reabsorção específicos, crescimento ósseo e parâmetros de suporte mecânico; a composição e solubilidade do material em termos de taxas de degradação aplicam-se para certos pacientes e certos locais de implantação. Uma scaffold densa possui caraterísticas de suporte superiores, enquanto um altamente poroso melhora a entrega de células, ou um permeável favorece o transporte de nutrientes e produtos residuais. A arquitetura ótima da scaffold é, portanto, um conceito relativo, já que configurações diferentes otimizam ou diminuem funções distintas. Para reforçar o estudo sobre a influência dos aspetos anteriores, o uso de modelos matemáticos detalhados como uma representação virtual in silico dos tecidos/scaffolds/biorreatores, também conhecidos por digital twins, desenvolvidos com o objetivo de fornecer uma caracterização mais detalhada dos sistemas de cultura, permitindo a optimização de parâmetros de estimulação e previsão de resultados experimentais, reduzindo tempo e custos envolvidos. Esta dissertação foca-se em efeitos induzidos por fluidos, como o Wall Shear Stress e permeabilidade, estudando distribuições e variações, de acordo com diferentes microarquiteturas de scaffold e condições dinâmicas de cultura.