Mechanical properties of 3D scaffolds for bone regeneration

Abstract

One of the biggest challenges in modern tissue engineering is a creation 3D scaffolds for bone tissue regeneration. Until now, in order to restore bone defects are used various bone substitutes (autologous and allogeneic), however, their usage is limited because is required additional surgery, possible complications, also limited their use is associated with ethical point of view. In this work we aim to determine the mechanical properties of 3D printed PLA objects having various orientation woodpile microarchitectures. In this work we chose three different 3D microarchitectures: woodpile BCC (each layer consists of parallel logs which are rotated 90 deg every next layer), woodpile FCC (every layer is additionally shifted half of the period in respect to the previous parallel log layer) and a rotating woodpile 60 deg (each layer is rotated 60 deg in respect to the previous one). Compressive and bending tests were carried out with TIRAtest2300 universal testing machine. We found that 60 deg rotating woodpile geometry had the highest mechanical values which were approximately about 3 times higher than the BCC or FCC microstructures.

Article in Lithuanian.

3D karkasų, skirtų kaulų regeneracijai, mechaninių savybių tyrimas

Santrauka 

Vienas didžiausių šiuolaikinės audinių inžinerijos iššūkių yra 3D karkasų, skirtų kaulinio audinio regeneracijai, sukūrimas. Iki šiol, norint atstatyti kaulo defektus, naudojami įvairūs kaulo pakaitalai (autogeniniai ir alogeniniai), kurių naudojimo galimybės jau nebeatitinka poreikių, nes reikalinga papildoma operacija, galimos komplikacijos, taip pat ribotas jų naudojimas, susijęs su etinėmis pažiūromis. Šiame darbe lyginamos 3D spausdintuvu suformuotų mikrodarinių, skirtų kaulinio audinio defektui atkurti, mechaninės savybės. Darbe pasirinktos trys skirtingos 3D karkasų mikrostruktūros: woodpile BCC (kiekvienas sluoksnis susideda iš lygiagrečių rąstų, kurie keičiami 90 laipsnių kampu prieš tai esančio sluoksnio atžvilgiu), woodpile FCC (kiekvienas sluoksnis papildomai keičiasi per pusę periodo sluoksnio, esančio prieš tai, atžvilgiu) ir woodpile 60 deg (besisukanti rąstų rietuvė, kiekvienas tokios gardelės sluoksnis yra pasuktas 60 laipsnių prieš tai esančios atžvilgiu). Gniuždymo ir lenkimo bandymai buvo atlikti TIRAtest 2300 universalia bandymų mašina. Buvo nustatyta, kad, taikant 60 laipsnių kampu besikeičiančią woodpile geometriją, galima pasiekti didžiausias mechanines vertes, kurios buvo maždaug tris kartus didesnės nei woodfile BCC arba woodfile FCCmikrostruktūros.

Reikšminiai žodžiai: 3D mikroarchitektūra, adityvi gamyba, audinių inžinerija, karkasai, mechaninės savybės, polilaktinė rūgštis.

Keyword : 3D microarchitecture, additive manufacturing, tissue engineering, scaffolds, mechanical properties, polylactic acid