Smart design of scaffolds obtained by biofabrication for tissue engineering applications

A engenharia de tecidos é um domínio tecnológico emergente em rápido desenvolvimento que se destina a produzir substitutos viáveis para a restauração, manutenção ou melhoria da função dos tecidos ou órgãos humanos. Uma das estratégias mais predominantes em engenharia de tecidos envolve crescimento celular sobre matrizes de suporte (scaffolds), biocompatíveis e biodegradáveis. Estas matrizes devem possuir não só elevadas propriedades mecânicas e vasculares, mas também uma elevada porosidade. Devido à incompatibilidade destes dois parâmetros, é necessário desenvolver estratégias de simulação de forma a obter estruturas optimizadas. A previsão real das propriedades mecânicas, vasculares e topológicas das matrizes de suporte, produzidas por técnicas de biofabricação, é muito importante para as diversas aplicações em engenharia de tecidos. A presente dissertação apresenta o estado da arte da engenharia de tecidos, bem como as técnicas de biofabricação envolvidas na produção de matrizes de suporte. Para o design optimizado de matrizes de suporte foi adoptada uma metodologia de design baseada tanto em métodos de elementos finitos para o cálculo do comportamento mecânico, vascular e as optimizações topológicas, como em métodos analíticos para a validação das simulações estruturais utilizando dados experimentais. Considerando que as matrizes de suporte são estruturas elementares do tipo LEGO, dois tipos de famílias foram consideradas, superfícies não periódicas e as superfícies triplas periódicas que descrevem superfícies naturais. Os objectivos principais desta dissertação são: i) avaliar as técnicas existentes de engenharia de tecidos; ii) avaliar as técnicas existentes de biofabricação para a produção de matrizes de suporte; iii) avaliar o desempenho e comportamento das matrizes de suporte; iv) implementar uma metodologia de design de matrizes de suporte em variáveis tais como a porosidade, geometria e comportamento mecânico e vascular por forma a auxiliar o processo de design; e por fim, v) validar experimentalmente a metodologia adoptada.

The design of optimized scaffolds for tissue engineering is a key topic of research, as the complex macro- and micro- architectures required for a scaffold depends not only on the mechanical properties, but also on the physical and molecular queues of the surrounding tissue within the defect site. Thus, the prediction of optimal features for tissue engineering scaffolds is very important for its mechanical, vascular or topological properties. The relationship between high scaffold porosity and high mechanical properties is contradictory, as it becomes even more complex due to the scaffold degradation process. A scaffold design strategy was developed, based on the finite element method, to optimise the scaffold design regarding the mechanical and vascular properties as a function of porosity. Scaffolds can be considered as a LEGO structure formed by an association of small elementary units or blocks. In this research work, two types of family elementary scaffold units were considered: non-triple periodic minimal surfaces and triple periodic minimal surfaces that describe natural existing surfaces. The main objectives of this research work are: i) The evaluation of the Tissue Engineering methodology and its different strategies; ii) The evaluation of the existing biofabrication technologies used to produce tissue engineering scaffolds; iii) The evaluation of the scaffold’s requirements involved in the scaffold’s design; iv) The development of an integrated design strategy based on material, porosity, geometry, mechanical and vascular properties, in order to aid the scaffold design process; and v) The experimental validation of the adopted design strategy.

Doutoramento em Engenharia Mecânica