3D printing and mechanical characterization of polylactic acid scaffolds for bone tissue engineering
Τρισδιάστατη εκτύπωση και χαρακτηρισμός μηχανικών ιδιοτήτων ικριωμάτων απο πολυγαλακτικό οξύ για εφαρμογές στην ιστομηχανική οστών
Keywords
Bone tissue engineering ; Scaffolds ; Biomaterials ; Poly-lactic acid (PLA) ; 3D printing ; Porosity ; Mechanical properties ; Compressive testingAbstract
In bone tissue engineering, the use of biocompatible scaffolds mimicking the mechanical behavior of healthy human bones, is key to bone tissue regeneration and new bone growth. The design of scaffolds for bone tissue engineering requires the identification and employment of proper microstructural parameters which may tune the scaffold’s mechanical properties for the control of healthy tissue growth. This study is focused on the design and fabrication of biocompatible poly lactic acid (PLA) scaffolds with various porosity, pore sizes, and pore geometries to investigate their effect on the mechanical properties of the scaffold, with an emphasis on elastic behavior and compressive strength. The selection of structural parameters for the designed PLA scaffolds was performed on the basis of a critical literature review, focusing on the structural characteristics of human bones and state of the art in PLA scaffold fabrication. The generated designs were constructed via additive manufacturing with the use of three dimensional (3D) printing technology at the Department of Biomedical Engineering of the University of West Attica. Compressive testing of the 3D PLA imprints was conducted in collaboration with the Department of Mechanical Engineering of the University of West Macedonia. Results show that, as scaffold porosity increased, both Young modulus and compressive strength decreased, pointing a shift towards greater elasticity but reduced load bearing capacity; yet, the obtained values were comparable to trabecular bone mechanical testing results found in the literature, thus, making the designed PLA scaffolds able to mimic trabecular bone mechanical behavior. Elaboration of the results also indicated the importance of pore geometry, with rectangular pores generally providing greater strength and stiffness, while cylindrical pores, at similar porosity levels, exhibited greater elasticity and enhanced plastic deformation. Although the fabricated PLA scaffolds were found to mimic the mechanical behavior of trabecular bone, the created imprints did not meet the higher mechanical requirements of cortical bone. Our results suggest future research should focus on improving the mechanical strength of the PLA scaffolds by means of using new composite materials and advanced printing techniques.
Abstract
Στην ιστομηχανική οστών, η χρήση βιοσυμβατών ικριωμάτων που μιμούνται τη μηχανική συμπεριφορά των υγιών ανθρώπινων οστών, είναι το κλειδί για την αναγέννηση των οστικών ιστών και την ανάπτυξη νέων οστών. Ο σχεδιασμός αυτών των ικριωμάτων απαιτεί τον προσδιορισμό και την εφαρμογή κατάλληλων μικροδομικών παραμέτρων που μπορούν να ρυθμίσουν τις μηχανικές ιδιότητες του ικριώματος για τον έλεγχο της υγιούς ανάπτυξης των ιστών. Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία επικεντρώνεται στο σχεδιασμό και την κατασκευή βιοσυμβατών ικριωμάτων από πολυγαλακτικό οξύ (PLA) με διαφορετικό πορώδες, μέγεθος και γεωμετρία πόρων για τη διερεύνηση της επίδρασής τους στις μηχανικές ιδιότητες του ικριώματος, με έμφαση στην ελαστική συμπεριφορά και τη θλιπτική αντοχή. Η επιλογή των μικροδομικών παραμέτρων για τα ικριώματα PLA πραγματοποιήθηκε βάσει ενδελεχούς βιβλιογραφικής ανασκόπησης, εστιάζοντας στα δομικά χαρακτηριστικά των ανθρώπινων οστών και την τελευταία λέξη της τεχνολογίας στην κατασκευή ικριωμάτων PLA. Τα παραγόμενα σχέδια κατασκευάστηκαν μέσω της μεθόδου προσθετικής κατασκευής, και συγκεκριμένα με τη χρήση τεχνολογίας τρισδιάστατης (3D) εκτύπωσης στο Τμήμα Βιοϊατρικής Μηχανικής του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής. Οι θλιπτικές δοκιμές των τρισδιάστατων δομών PLA πραγματοποιήθηκαν σε συνεργασία με το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου Δυτικής Μακεδονίας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι, με την αύξηση του πορώδους του ικριώματος, το μέτρο ελαστικότητας Young και η θλιπτική αντοχή μειώνονται, γεγονός που υποδηλώνει την τάση προς μεγαλύτερη ελαστικότητα αλλά μειωμένη ικανότητα αντοχής σε φέρον φορτίο. Οι τιμές που προέκυψαν ήταν συγκρίσιμες με τα αποτελέσματα μηχανικών δοκιμών του δοκιδώδους οστού που βρέθηκαν στη βιβλιογραφία, καθιστώντας τα ικριώματα PLA αυτής της μελέτης κατάλληλα για εφαρμογές που στοχεύουν σε αυτού του είδους οστική ανάπτυξη. Η επεξεργασία των αποτελεσμάτων έδειξε επίσης τη σημασία της γεωμετρίας των πόρων, με τους ορθογώνιους πόρους να παρέχουν γενικά μεγαλύτερη θλιπτική αντοχή και δυσκαμψία, ενώ οι κυλινδρικοί πόροι, σε παρόμοια επίπεδα πορώδους, παρουσίασαν μεγαλύτερη ελαστικότητα αλλά και πλαστική παραμόρφωση. Παρόλο που τα δημιουργηθέντα ικριώματα PLA κατάφεραν να μιμηθούν τη μηχανική συμπεριφορά του δοκιδώδους οστού, δεν πλησίασαν τις τιμές των μηχανικών ιδιοτήτων για τα φλοιώδη οστά. Η μελλοντική έρευνα θα πρέπει να επικεντρωθεί στη βελτίωση της μηχανικής αντοχής των ικριωμάτων PLA μέσω της χρήσης νέων σύνθετων υλικών και προηγμένων τεχνικών τρισδιάστατης εκτύπωσης.